Les cultures à haute valeur ajoutée comme la pomme de terre (Solanum tuberosum L.), sont de bons candidats pour l'adoption de l'agriculture de précision en raison des coûts de production particulièrement élevés. Les quantités de fertilisants requises alimentent le défi permanent de la recherche de l’optimisation de fertilisation spécifique à chaque agroécosystème. La modélisation fournit une trousse d’outils pour l’aide à la décision. En ce qui concerne la fertilisation, le rendement est habituellement relié à des doses variables d’un fertilisant à l'aide de fonctions simples(quadratique, linéaire ou linéaire-quadratique,Mitscherlich ou autres). Même si ces fonctions ne devraient être utilisées que pour décrire le comportement des données expérimentales, elles ont été largement utilisées pour prédire les doses optimales de fertilisants. Ce projet de recherche a proposé un modèle de recommandation des doses optimales d’azote (N), de phosphore (P) et de potassium (K)pour la culture de pomme de terre en exploitant les techniques d’autoapprentissage. Dans une première partie, il a d’abord été question de regrouper les cultivars sur la base de la composition chimique de la feuille diagnostique en utilisant une classification non supervisée. Ce regroupement a permis de montrer que les cultivars étudiés sont associés à une composition ionomique spécifique. Ensuite, dans une perspective de prédiction de catégories de rendement en fonction de la composition foliaire, les algorithmes des k plus proches voisins (KNN), des forêts aléatoires (RF) et des machines à vecteurs de supports(SVM) ont montré un potentiel de diagnostic acceptable, avec une précision de 70 %,pour détecter un déséquilibre nutritionnel en cours de saison. Enfin, le vecteur de perturbation de l’espace de composition d’Aitchison pourrait être un bon indicateur pour détecter la présence et l’ampleur d’un déséquilibre nutritionnel en cours de saison. Dans la deuxième partie, les modèles d’autoapprentissage utilisant les algorithmes des KNN,des RF, des réseaux neuronaux (NN) et des processus gaussiens (PG), ont prédit le rendement et le poids spécifique en fonction des conditions expérimentales de façon pratiquement similaire avec des coefficients de détermination (R²) supérieurs à celui du modèle de Mitscherlich. Les R² étaient de 0,52 pour les KNN, de 0,59 pour les RF, de 0,49 pour les NN, de 0,58 pour les PG et de 0,37 pour le modèle de Mitscherlich. Les R² des modèles de prédiction de la balance des tubercules de taille moyenne (R² = 0,60 –0,69) et du poids spécifique (R² = 0,58 – 0,67) étaient plus élevés comparés aux R² de la balance des tubercules de grande taille (R² = 0,55 – 0,64) et du rendement vendable. Des dissemblances importantes sont apparues entre les modèles dans le rendu des courbes de réponse et la prédiction des doses agroéconomiques optimales de N, P et K. C'est prédictions étaient spécifiques au site. Les processus gaussiens étaient plus appropriés en raison de leur capacité d’élaborer des surfaces de réponse lisses et des recommandations probabilistes. / High-value crops, like potato (Solanum tuberosumL.), are good candidates for the adoption of Precision Agriculture because of the high cost of inputs.The large amount of potato fertilizers requirement makes it economically and environmentally important for producers to determinate site-specific fertilizers dosages. Crop performance responses to fertilizer inputs have yet been modeled using simple functions like quadratic, linear-plateau or Mitscherlich. Even though they should only be used to describe experimental data, such models are used to predict optimal fertilizer doses considering the cost of the fertilizer and crop sales. As large amounts of data are being assembled in repeated observational data sets, machine learning models can become useful to predict and detect patterns in data without hardly presuming how a response curve should behave.This project generated models recommending optimal economic doses of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) for potato crops using machine learning techniques. We assessed the validity of cultivar grouping as new predictive feature, and predicted potato tuber yields using foliar ionomes. A density-based clustering algorithm (dbscan) failed to delineate groups of high-yield cultivars linked to specific cultivar ionomic composition. Algorithms of k-nearest neighbors (KNN), random forests (RF) and support vector machines (SVM) showed a fair diagnostic potential to detect in-season nutritional imbalance, with practically similar accuracy of 70%. The perturbation vector of Aitchison compositional space appeared a good indicator indetecting the presence and magnitude of a nutritional imbalance. Moreover, machine-learning models using KNN, RF, neural networks (NN) and Gaussian processes (GP) algorithms returned almost similar coefficients of determination (R²) superior to that of the Mitscherlich model. The R² values were 0.52, 0.59, 0.49 and 0.58 respectively for the KNN, RF, ANN,and GP, and 0.37 with the Mitscherlich model to predict marketable yield.The models were somewhat more efficient to predict medium-size tubers (R²= 0.60–0.69) and tuber specific gravity (R²= 0.58–0.67) than large-size tubers (R²= 0.55–0.64) and marketable yield. Disagreements appeared between models in site-specific response curves and optimal economic or agronomic N, P, and K doses prediction. However, GP models stood up as the most promising algorithm due to its built-in ability to develop smooth response surfaces and recommendations within a probabilistic risk-assessment framework.

L'application commerciale de la culture in vitro est limitée à la propagation massive de certaines espèces végétales en raison des pertes excessives rencontrée lors de la phase de l'acclimatation. On pense que le saccharose ajouté au milieu de culture serait responsable de ce problème. L'objectif de cette thèse était d'approfondir nos connaissances sur les effets du saccharose exogène et des conditions in vitro sur la croissance, la physiologie et la biochimie des plantules de pomme de terre (Solanum tuberosum L.) in vitro et ex vitro. Comme prémisse à la recherche nous nous sommes intéressés à déterminer comment le sucre est absorbé et transporté dans les plantules. Les plantules autotrophes et mixotrophes absorbent et métabolisent le sucre de manière très distincte. Les premières absorbent et transloquent de faibles quantités de saccharose et relâchent même de fortes quantités des sucres dans le milieu. Les plantules mixotrophes accumulent des sucres radioactifs dans la tige et dans les feuilles. Grâce à une approche métabolomique nous avons étudié de manière approfondie la réponse métabolique des plantules in vitro et ex vitro de sucres exogènes. Nos données de métabolomique expliquent certains des problèmes trouvés dans les conditions de culture in vitro et leur impact sur l'acclimatation ex vitro. Par exemple, l'analyse métabolomique révèle que les conditions de culture in vitro ont provoqué des changements très importants des métabolismes de l'azote et du carbone; des niveaux plus élevés d'acides aminés, de metabolites de stress, de polyamines, d'intermédiaires de la photorespiration, de sucres alcools osmotiquement actifs, et des niveaux inférieurs des intermédiaires du cycle de Krebs et de la glycolyse, caractérisent le phénotype métabolique distinct des plantules in vitro mixotrophes. Nous suggérons que ces changements dans les niveaux d'accumulation des metabolites représentent une réponse adaptative de la plantule in vitro à la quantité excessive d'azote dans le milieu de culture MS et aux conditions de stress osmotique causés par la présence de sucre exogène.

En partant d’études plus récentes qui visent à élucider de quelle façon des accessions de pommes de terre sauvages sont résistantes envers les pucerons, notamment le puceron de la pomme de terre, Macrosiphum euphorbiae (Thomas), et le puceron vert du pêcher, Myzus persicae (Sulzer), et également envers le doryphore de la pomme, Leptinotarsa decemlineata (Say), on a choisi 16 variétés de Solanum sauvages. Il est important de noter dès le début, que pour la grande majorité de variétés de plantes utilisées dans notre étude, on avait des informations sur leur résistance envers les trois insectes ravageurs déjà nommés, mais pas nécessairement au niveau des accessions. On a mis en place deux dispositifs expérimentaux pour vérifier la résistance relative envers ces deux pucerons. Les deux dispositifs ont été déployés dans un champ qui faisait partie d’une ferme commerciale de pomme de terre, à 80 km au sud-est de Montréal. Le premier dispositif comportait 12 accessions de Solanum sauvages et un témoin, Solanum tuberosum, une variété commerciale. Les plantes ont été distribuées au hasard sur une ligne. La ligne a été répliquée trois fois. L’infestation des plantes a été faite de façon naturelle. Le comptage des pucerons et d’autres insectes trouvés sur les plantes a été effectué hebdomadairement. Les résultats obtenus démontrent que Solanum oplocense et Solanum tarijense semblent être plus vulnérables aux deux pucerons. Le deuxième dispositif a été utilisé pour étudier les plantes et les pucerons en milieu semi-contrôlé. On a choisi 8 plantes, 7 accessions sauvages et une commerciale (témoin), qui ont été encagées et ensuite infestées avec 30 pucerons. Les pucerons trouvés sur chaque plante ont été comptés hebdomadairement pendant 6 semaines. On a observé que sur le témoin, les populations des deux pucerons augmentent progressivement et atteignent le maximum dans la quatrième semaine, avec une moyenne de 6460 pucerons de la pomme de terre et 7790 pucerons vert du pêcher. Par contre, sur les autres accessions sauvages, les pucerons se sont établis en plus faibles populations. Par exemple, sur Solanum polyadenium, le maximum a été atteint à la cinquième semaine quand il y avait en moyenne 250 M. euphorbiae et 298 M. persicae. Toutes les variétés sauvages utilisées ont démontré des niveaux différents de résistance envers les deux pucerons; S. polyadenium a été trouvé très résistante, S. tarijense résistante et S. pinnatisectum susceptible d’être résistante. La colonisation de la même variété de plante, par chaque espèce de pucerons a été relativement similaire. La densité des morphes ailés a été un bon indicateur de traits de résistance. Ces résultats démontrent le potentiel de résistance de certaines accessions de pommes de terre sauvages. Quelques variétés qui présentaient de la résistance envers le doryphore, présentent aussi de la résistance envers les deux pucerons. Une nouvelle méthode pour sélectionner les plantes qui présentent des traits potentiels de résistance envers les pucerons a été mise en place. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Solanum sauvages, Myzus persicae, Macrosiphum euphorbia, résistance

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 131-154. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 66-73. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse ( Ph.D.)--Université Laval, 2004. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 novembre 2004). Bibliogr.

Le nématode doré est un endoparasite sédentaire affectant la culture de la pomme de terre. Les populations de ce nématode peuvent être contrôlées par l’utilisation de cultivars résistants. Le gène H1 confère une résistance presque complète. Le projet visait à introduire par rétrocroisement assisté de marqueurs, le gène H1 dans un cultivar aux qualités agronomiques recherchées. Premièrement, des marqueurs moléculaires liés au gène H1 (TG689 et 57R) ont permis de déterminer au sein des descendances de rétrocroisement les individus qui en sont porteurs. Puis, une approche de génotypage par séquençage (GBS) a été utilisée pour caractériser les individus BC1F1 ayant ce gène. Un catalogue de 5745 marqueurs a été obtenu et une validation par séquençage 454 a confirmé 66,1 % des 250 génotypes analysés. Les marqueurs ont permis de sélectionner parmi les descendants BC1F1 ayant le gène H1, ceux ayant la plus faible contribution allélique provenant du parent résistant.

Les plantes ont développé, au cours du temps, des mécanismes de protection leur permettant de survivre et de se développer en dépit des nombreux stress biotiques auxquels elles sont soumises. Cette thèse doctorale, en trois volets, visait à caractériser les réponses biochimiques et physiologiques de la pomme de terre (Solanum tuberosum) attaquée par un insecte coléoptère, le doryphore de la pomme de terre (Leptinotarsa decemlineata). Le premier volet du projet visait à caractériser l'impact de l'insecte sur le protéome foliaire de la plante, en utilisant comme modèle des plantes traitées avec des larves de doryphore, des plantes soumises à des blessures mécaniques et des plantes infestées par un insecte suceur, le puceron de la pomme de terre (Macrosiphum euphorbiae). Le second volet visait à caractériser le protéome des sécrétions orales du doryphore, avec pour objectif de cerner l'incidence relative des protéines de l'insecte et de la plante hôte aux sites de blessure générés par l'herbivore. Le troisième et dernier volet visait, enfin, à déterminer l'impact des altérations du protéome foliaire de la plante sur ses capacités photosynthétiques, et à mettre en évidence l'impact possible des composantes moléculaires de la plante sur les réponses observées. En résumé, nos résultats ont démontré que plusieurs protéines des métabolismes primaire et secondaire, incluant des protéines associées à la photosynthèse, sont régulées dans les feuilles en réponse au doryphore de la pomme de terre. L'impact négatif de l'herbivore sur plusieurs protéines photosynthétiques, notamment celles du photosystème I, a toutefois des répercussions négligeables sur la capture de lumière par la plante. La seconde phase du processus photosynthétique, en revanche, est affectée de manière notable par le doryphore, vraisemblablement par l'action de molécules provenant aussi bien de l'insecte que de la plante elle-même. Ces résultats suggèrent, dans l'ensemble, un impact spécifique, mais limité du doryphore de la pomme de terre sur le protéome primaire et les fonctions photosynthétiques de sa plante hôte. Ils suggèrent aussi la mise en place de mécanismes compensatoires in planta et la grande plasticité du métabolisme primaire de la plante en réponse à l'herbivore. / Higher plants have developed, over time, a variety of protection mechanisms allowing them to survive and cope with a variety of biotic stress cues in their surrounding environment. The main goal of this three-part doctoral thesis was to characterize the biochemical and the physiological responses of potato (Solanum tuberosum) to defoliation by the coleopteran insect herbivore Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata). The first objective of the project was to characterize the impact of the insect on the host plant's leaf proteome, using as a model plants treated with potato beetle larvae, mechanically wounded plants and plants infested with a sucking/piercing insect, the potato aphid (Macrosiphum euphorbiae). The second objective was to gain some insight about the proteome of potato beetle oral secretions, with the aim of assessing the relative incidence of insect and host plant proteins at wound sites generated during insect feeding. The third objective, finally, was to determine the impact of leaf proteome alterations on photosynthetic capacities of the host plant, and to determine the possible impact of the plant's own molecular constituents on the responses observed. In brief, our results showed that several proteins involved in the primary and the secondary metabolisms, including photosynthesis-related proteins, were regulated in leaves in response to potato beetle feeding. However, the negative impact of the insect on several photosynthetic proteins, notably photosystem I proteins, only had negligible effects on the light capture process by the plant. The second phase of photosynthesis, on the other hand, was significantly affected by the insect, presumably via molecular effectors from both the insect and the host plant itself. These findings suggest, overall, a specific, but somewhat limited impact of Colorado potato beetle larvae on the leaf proteome and photosynthetic capacities of the potato host. They also suggest the possible induction of compensatory mechanisms in planta and the high plasticity of primary metabolism functions in the plant upon herbivore feeding.

La gale argentée, causée par le champignon Helminthosporium solani, est une maladie importante affectant le tubercule de pomme de terre. Cette étude avait pour objectif d'évaluer l'influence du Fe, Cu, Mn, Zn et Mo, sous différentes formes chimiques, sur le développement de H. solani et de la gale argentée de la pomme de terre. Les résultats obtenus ont permis de démontrer que ces minéraux affectent la croissance mycélienne et la germination des conidies de ce champignon. L'addition de doses élevées des minéraux à l'étude dans le milieu de culture a généralement eu un effet inhibiteur sur la croissance mycélienne et la germination des conidies. Appliqués sur le tubercule, ces minéraux ont également affecté le développement de la gale argentée. Cependant, les travaux réalisés n'ont pas permis de révéler que la composition du substrat de culture en ces minéraux avait un effet sur le développement de la gale argentée ainsi que sur la quantité de H. solani détectée à la surface du tubercule par PCR en temps réel.

La gestion de l'azote (N) et de l'irrigation sont des facteurs importants affectant les pertes de N par lessivage de nitrates dans la production de pomme de terre (Solanum tuberosum L.) sur des sols à texture grossière. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'effet de la fertilisation azotée (dose et source) sur le lessivage intra-saisonnier et la teneur en nitrates du sol (RSN) ainsi que le rendement total (TY) et commercialisable (MY) dans la pomme de terre irriguée et non-irriguée cultivée en sols sableux. Une expérience de 5 ans (2008-2012) et une autre de 3 ans (2013-2015) ont été menées pour comparer l'application de l'urée enrobée de polymères (PCU) à la plantation avec celle fractionnée d'engrais azotés solubles à plusieurs doses équivalentes. Les résultats ont montré que, lorsque les déficits en eau sont faibles durant la saison de croissance, il ne résulte aucun avantage à apporter de l'eau supplémentaire par irrigation. L'irrigation a augmenté le lessivage intra-saisonnier des nitrates de 52%, mais n'a eu aucun effet sur le TY et le MY. Les rendements total et commercialisable n'ont pas répondu à la fertilisation azotée en raison d'un apport élevé en N du sol. Cependant, l'augmentation de la dose de N a entrainé une augmentation du lessivage intra-saisonnier de nitrates et du RSN. À doses équivalentes, l'apport du PCU a produit un TY et MY similaires par rapport à l'apport fractionné d'engrais conventionnels solubles. Les résultats ont montré que l'efficacité du PCU pour réduire le lessivage intra-saisonnier variait en fonction de la distribution des précipitations et de la période d'irrigation en raison des caractéristiques de libération de l'azote. L'apport du PCU au moment de la plantation était efficace pour réduire le lessivage intra-saisonnier lorsque les précipitations étaient élevées entre la plantation et le buttage. Le mélange PCU + urée appliqué à la plantation a entrainé une réduction du TY et du MY par rapport au PCU et aux engrais conventionnels solubles en raison d'une croissance végétative excessive et d'un retard dans l'initiation des tubercules. Par ailleurs, à doses équivalentes, le PCU+urée a augmenté le lessivage intra-saisonnier des nitrates en comparaison au PCU et aux engrais solubles appliqués. Les résultats ont aussi montré que le RSN était un bon indice du potentiel de lessivage post-récolte des nitrates dans la pomme de terre. Les pertes de N après la saison de croissance étaient plus élevées lorsque le RSN mesuré à l'automne était élevé. Le PCU+urée a été introduit dans le but de diminuer le risque de lessivage post-récolte lié à l'application du PCU. Toutefois, les résultats ont indiqué que l'application du PCU à la plantation, seul ou mélangé avec un engrais soluble, augmentait le risque de lessivage post-récolte par rapport aux engrais solubles. Globalement, les résultats de cette thèse suggèrent que la réduction de la dose de N est plus importante que le choix de la source de N pour minimiser le lessivage des nitrates. / Nitrogen (N) management and irrigation are important factors affecting yield and N losses through nitrate-N (NO₃-N) leaching in potato (Solanum tuberosum L.) production on sandy soils. The objective of this thesis was to investigate the effect of N fertilization (rate and source) on total (TY) and marketable (MY) yields, in-season NO₃-N leaching, and residual soil NO₃-N (RSN) for potatoes grown on sandy soils under two irrigation regimes (irrigated and non-irrigated). Two field experiments were conducted to compare split-applied conventional soluble N fertilizers (ammonium sulfate, ammonium nitrate, and calcium ammonium nitrate) and polymer-coated urea (PCU) products at several N rates during five (2008-2012) and three (2013-2015) years, respectively. The results showed that there was no benefit from additional water by irrigation when water deficits were low. Irrigation increased in-season NO₃-N leaching by 52% but had no effect on TY and MY. Results from the 3-year field experiment showed that TY and MY response to N fertilization were not significant when soil N supplied by soil N mineralization was high. However, increasing the fertilizer N rate increased in-season NO₃-N leaching and RSN. A single application of PCU resulted in similar TY and MY as split-applied conventional soluble N fertilizers at equivalent N rates. Results from both field experiments suggest that the potential of PCU to reduce in-season NO₃-N leaching may vary according to rainfall distribution and irrigation timing due to the N-release characteristics of the PCU. Application of PCU at planting was an effective strategy to reduce in-season NO₃-N leaching when there was significant rainfall during the period between planting and hilling. The results also indicated that PCU+urea applied at planting may reduce TY and MY compared to PCU and conventional soluble N fertilizers due to excessive vegetative growth and delayed tuber initiation. Furthermore, PCU+urea increased in-season NO₃-N leaching relative to PCU and conventional soluble N fertilizers applied at equivalent N rates. Residual soil NO₃-N was an effective index of the potential soil NO₃-N losses in the non-growing season, as overwinter NO₃-N losses were generally higher with greater RSN. The results indicated that a single application of PCU, alone or mixed with a conventional soluble N fertilizer at planting increases the risk of NO₃-N leaching in the non-growing season in comparison to conventional soluble N fertilizers. The overall results suggest that reducing the fertilizer N rate is more important than the choice of N sources to minimize NO₃-N leaching from potato production.