Jusqu'au milieu du XIXème siècle, les menus grains se distinguent des gros grains, donnés comme les seules cultures économiquement, alimentairement et symboliquement intéressantes. Pourtant, l'étude de sources aussi variées que les traités de botanique, les manuels d'agriculture, les statistiques napoléoniennes, la correspondance entre intendants et subdélégués, les enquêtes agricoles, les mercuriales ou les publications juridiques indique l'importance économique, géographique, démographique et sociale de plantes aussi variées que le millet, le panis, le sarrasin, le maïs et le sorgho. En effet, tous ces grains, difficiles à identifier au XVIème siècle mais dont les dénominations se précisent avec le système linnéen, appartiennent à un système rural cohérent. Semés au printemps, ils s'insèrent dans les rotations culturales. Ce sont de ce fait des graines supplétives aux gros grains d'hiver (froment, méteil). On ne les consomme pas sous forme de pain, mais sous forme de bouillie. Ce rôle de « grains de disette » est cependant exceptionnel. Les menus grains sont d'abord consommés par les animaux, notamment les porcs et les volailles. Ils sont aussi transformés en objets artisanaux, comme les balais ou les matelas fabriqués avec le sorgho ou le maïs. La demande urbaine en foies gras, chapons et jambons justifie le maintien durable en Bresse ou en Aquitaine de la culture des menus grains, dont on vante les qualités pour engraisser les animaux. Enfin, le dépouillage des sources sur trois siècles montre que la culture et la valorisation des menus grains sont un parfait exemple du strict partage des tâches entre hommes et femmes. Les semis, le désherbage, l'élevage et la vente sur les marchés sont des activités féminines. Alors que les menus grains sont l'objet de critiques répétées de la part du monde savant (agronomes, médecins), la culture des menus grains résiste et survit à travers le maintien de spécialités culinaires régionales (gaudes, galettes, milias....).

Face à l’enjeu de la transition énergétique, l’utilisation de la biomasse végétale ligno-cellulosique pour produire des énergies et matériaux ‘bio-sourcés’, est l’une des alternatives au pétrole ciblées. Le sorgho (Sorghum bicolor) est à ce titre de plus en plus étudié. Sa diversité génétique est une richesse considérable pour concevoir des variétés à forte production de biomasse de tige, de composition biochimique adaptée à divers usages et adaptées à des agroenvironnements limités en eau. Cette thèse s’inscrit dans deux projets d’amélioration variétale du sorgho biomasse, Biomass For the Future (ANR) et BioSorg (Agropolis-Cariplo). Son objectif est de comprendre les traits phénotypiques, de nature morphologique, biochimique, histologique, et leurs interactions, expliquant à l’échelle de l’organe (entrenœud) la production de biomasse de tige du sorgho, sa variabilité génotypique et en réponse à l’environnement climatique notamment hydrique. Pour cela une approche combinant expérimentations et modélisation écophysiologique a été adoptée.Trois saisons d’expérimentation ont été organisées au champ (plateforme DIAPHEN, Mauguio, France), afin de comparer des génotypes sous condition irriguée et déficitaire en eau durant la phase d’allongement des tiges. Deux hybrides de sorgho biomasse ont été étudiés (2013-2014) pour mettre en évidence les traits contribuant à la régulation par la disponibilité en eau de l’accumulation de la biomasse de tige. Une dynamique de développement commune à tous les entrenœuds d’un génotype a été mise en évidence pour les traits histochimiques étudiés ; les entrenœuds d’âge différent sur la tige d’une même plante peuvent donc être utilisés pour le phénotypage de cette dynamique. Ainsi, les traits fixés progressivement durant le développement de l’entrenœud s’avèrent les plus sensibles au déficit hydrique. La quantité de biomasse de tige produite a été réduite par le déficit hydrique et sa composition biochimique modifiée. Ceci s’explique par une réduction du nombre d’entrenœuds allongés, de leur longueur et teneur en ligno-cellulose, mais une augmentation de leur teneur en sucre soluble. Les entrenœuds développés après ré-irrigation ont montré une récupération remarquable à l’inverse des entrenœuds développés durant la période de stress. Ainsi, à la récolte, l’effet du déficit hydrique sur la production de la biomasse de tige était très atténué. Ces mêmes traits ont été étudiés sur 8 génotypes de morphologie et biochimie de tige contrastées (2014-2015). Les résultats ont montré une forte variabilité génotypique de sensibilité au déficit hydrique et de capacité de récupération. Les traits de croissance et histochimie de l’entrenœud ont montré des réponses au statut hydrique partiellement corrélées. La faible corrélation entre traits biochimiques et histologiques suggère que la variabilité de la qualité de tige entre génotypes et environnements s’explique au niveau tissulaire. La stabilité de la production de biomasse de tige est donc contrôlée par ces traits de façon complexe et fonction du pattern de disponibilité en eau.Ces résultats ont été utilisés pour adapter et tester la capacité du modèle écophysiologique Ecomeristem à capturer les traits expliquant la variabilité des phénotypes de sorgho biomasse sous conditions hydriques non limitantes. La validation du modèle s’est avérée satisfaisante avec quelques limites dans sa capacité à capturer les cinétiques de vie des talles et, de fait, la répartition de la biomasse entre talles. L’analyse de sensibilité du modèle a montré que les génotypes simulés produisant le plus de biomasse de tige résultent de combinaisons de traits différentes en fonction de la densité de peuplement. Le trade-off entre propension au tallage et à accumuler plus de biomasse au niveau de l’entrenœud individuel s’avère déterminante. La balance entre ces traits devrait être davantage considérée dans la démarche de phénotypage et d’idéotypage et sous des environnements contrastés. / In the context of the energy transition, the use of ligno-cellulosic biomass for producing ‘bio-sourced’ energy and product is one of the major alternatives to oil. Sorghum bicolor is with this respect more and more studied, particularly for water limited cropping environments. Its genetic diversity is a huge opportunity for creating varieties with a high production of stem biomass, with a biochemical composition adapted to diverse end-uses and for water-limited environments. This PhD thesis takes place in the context of two projects dedicated to biomass sorghum improvement: Biomass For the Future (ANR) and BioSorg (Fondation Agropolis-Cariplo). Its objective is to understand the morphological and histochemical traits and their interactions, underlying at organ (internode) level, stem biomass production in sorghum, its genotypic variability and its plasticity in response to climatic environment, in particular water availability. For this purpose, an approach combining field experiments and eco-physiological modeling was adopted. Three experimental seasons were organized in the field (DIAPHEN platform, Mauguio, France), in order to compare genotypes under contrasted water situations (irrigated, water deficit during stem elongation). Two biomass sorghum hybrids were studied (2013-2014) to point out the traits contributing to the regulation by water availability of stem biomass accumulation. First, a common dynamics of internode development for a given genotype was highlighted for studied histochemical traits. This result will enable to use all internodes of different ages on a given plant to set up such a dynamic in a phenotyping context. Accordingly, the traits set up progressively along internode development were those with the highest drought sensitivity. Stem biomass production was reduced by drought and its biochemical composition modified. This could be explained by a reduced number of expanded internodes with a reduced length and ligno-cellulosic content. A contrario, their soluble sugar content was increased. The internodes developed after re-watering observed a remarkable recovery whereas those developed under stress did not recover. At final harvest, water deficit effect on stem biomass production was thus strongly attenuated. The same traits were studied on 8 genotypes more contrasted for stem morphology and biochemistry (2014-2015). The results confirmed those on two hybrids and showed a high genotypic variability for drought sensitivity and recovery capacity. The response to water availability of traits related to internode or stem growth and to their biochemical composition was only partially correlated. The weak correlation between biochemical and histological traits suggests that the vartiability of stem biomass quality among genotypes and environments is explained at tissue level. The stability of stem biomass production is thus a highly complex process involving trade-off among morphological and histochemical traits that may differ depending on drought pattern, targeted end-use and cycle duration.These results were used for adapting and testing the ecophysiological model Ecomeristem in its capacity to capture the traits underlying phenotypic variability in biomass sorghum, in a first time under non-limiting water conditions. Model validation was satisfying but pointed out remaining limitation in the way the model captures tillering and accordingly biomass partitioning among them. A sensitivity analysis was performed showing that the simulated genotypes with the highest stem biomass production resulted from variable trait combinations (model parameters) depending on plant density in the field. The trade-off between tillering propensity and the capacity to accumulate biomass in the individual internode was particularly influencing and the balance between these traits should be further considered in a phenotyping and ideotyping context, with respect to fluctuating environmental conditions.

Des essais sur le pressage du millet perlé sucré et du sorgho sucré pour l’extraction de sève pour une production éventuelle de bioéthanol ont été effectués en 2009 et 2010. Les essais préliminaires de l’été 2009 ont démontré l’efficacité de la presse à vis pour l’extraction de sève ainsi qu’une meilleure performance avec l’utilisation d’une biomasse finement hachée. Les essais de 2010 ont été effectués à Sainte-Anne-de-Bellevue (Montréal) et à Saint-Augustin-de-Desmaures (Québec) afin de déterminer l’effet de différentes pressions (35, 45 et 55 psi) et de deux moments de récolte et de pressage (avant-midi et après-midi) sur l’extraction de la sève, la teneur et le rendement en sucres du millet perlé sucré et du sorgho sucré. Les résultats ont démontré que l’extraction de sève et la teneur en sucres sont plus élevées chez le sorgho sucré que chez le millet perlé sucré et qu’une pression entre 45 et 55 psi était optimale pour le taux d’extraction et le rendement en sève alors que la pression n’a aucune influence sur la teneur en sucres. La récolte et le pressage effectués en après-midi ont permis d’obtenir des teneurs plus élevées en sucres qu’en avant-midi à un site sur deux. Ces résultats démontrent que le millet perlé sucré et le sorgho sucré représentent une alternative intéressante pour la production de sève qui pourrait être utilisée pour la production de bioéthanol. / Trials related to the extraction of juice from sweet pearl millet and sweet sorghum for bioethanol production were carried out in 2009 and 2010. In summer of 2009, preliminary investigation resulted in a better performance of a specific screw press along with using finely chopped biomass. Based on these results, experimental studies have been done in summer 2010 with a screw press in Saint-Anne-de-Bellevue (Montreal) and Saint-Augustin-de-Desmaures (Quebec). The effects of various compressive forces (35, 45, and 55 psi) as well as a comparison between biomass harvested and pressed in the morning and in the afternoon have been investigated. Results showed a positive impact of a higher pressure on juice extraction. A compressive force between 45 and 55 psi was found to be optimal for juice extraction. However, the compressive force has no effect on juice sugar concentration. Juice of sweet sorghum has higher sugar concentration than that of sweet pearl millet and was also extracted more easily and in a higher volume. Also, pressing in the afternoon was found to be better in terms of sugar concentration of the extracted juice. The results show that sweet pearl millet and sweet sorghum represent an interesting alternative for bioethanol production.

Des essais ont été réalisés en 2010 à Saint-Augustin-de-Desmaures et à Sainte-Anne-de-Bellevue afin de comparer deux espèces destinées à la production d’éthanol (millet perlé sucré/sorgho sucré), deux dates de récolte (août/septembre) et quatre délais entre le hachage et le pressage (0,5, 2, 4 et 6 heures) sur le rendement en biomasse et en sucres et sur la valeur nutritive du fourrage et de l’ensilage du résidu pressé. Le sorgho sucré représente une meilleure source de sucres comparé au millet perlé sucré. La récolte réalisée en août permet d’obtenir un fourrage et un ensilage des résidus pressés de meilleure valeur nutritive, alors que celle effectuée en septembre permet de maximiser le rendement en biomasse et en sucres. Le délai entre le hachage et le pressage n’affecte pas la teneur et le rendement en sucres du jus. Les ensilages fabriqués à partir du résidu pressé des deux espèces se sont bien conservés. / Field studies were conducted in 2010 at Saint-Augustin-de-Desmaures and Sainte-Anne-de-Bellevue to compare two crops potentially used for ethanol production (sweet pearl millet/sweet sorghum), two harvest dates (August/September), and four delays between mowing and pressing the biomass (0.5, 2, 4, and 6 hours) for biomass and sugar yields and nutritive value of the forage and silage made with the residue. Sweet sorghum is a better source of sugar than sweet pearl millet. The harvest in August produces a forage and a silage of greater nutritive value, whereas the harvest in September maximizes biomass and sugar yields. The delay between mowing and pressing the biomass had no significant impact on yield and sugar concentration of the juice. Silages made from the pressed forage material of both species were well preserved.

L’extraction des cires végétales est fréquemment réalisée en utilisant des solvants tels que l’hexane, le cyclohexane, le méthanol, etc. Ces solvants sont très efficaces pour dissoudre les lipides. Cependant, ils sont aussi inflammables, très volatils et toxiques. Récemment, des recherches ont montré que les fluides cryogéniques peuvent aussi servir à cette fin. Par exemple, l’immersion cyclique des fruits entiers dans l’azote liquide (bleuet, argousier, raisin vert) a permis de diminuer les cires cuticulaires jusqu’à 50%. Le but de ce travail est donc d’étudier l’immersion dans l’azote liquide comme méthode ‘verte’ pour extraire la cire des grains. Du sorgho, du blé et du riz brun ont été immergés dans l’azote liquide en 1 à 3 cycles à différentes durées. L’impact du temps de repos entre les cycles (1-5 minutes à température ambiante) sur le rendement d'extraction a aussi été analysé. La performance d’extraction a été comparée à celle par le n-hexane avec la méthode reflux. La microscopie électronique à balayage (SEM) a permis de visualiser l'effet de l'immersion dans l'azote liquide et dans l’hexane sur la surface des grains. La chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS) et à un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a été utilisée pour la détermination de la composition chimique des extraits obtenus par les deux méthodes. Les résultats ont montré que le rendement d’extraction le plus élevé était de 0.026% (g pds cire/100g pds grain) (riz-11minutes d'extraction), 0.032% (sorgho-4 minutes) et 0.025% (blé-13 minutes). En comparaison, le rendement des cires extraites par le n-hexane (70oC) a été de 0.196% (riz-60 minutes d'extraction), 0.298% (sorgho-45 minutes) et 0.126% (blé-30 minutes). Pour le blé et le riz, une augmentation significative du rendement a été observée pour des temps de repos entre 3 et 5 minutes entre les cycles par rapport à celui de 1 minute. Les résultats de GC-MS et GC-FID nous ont confirmé que de la cire a bien été extraire par l’azote liquide et le n-hexane, dont la composition est similaire dans les deux cas. Ces résultats montrent que la méthode d’extraction par l'azote liquide est réalisable malgré son rendement plus faible que celle par l'n-hexane mais avec un temps d’extraction plus court. L’azote liquide n’est pas toxique et c’est un solvant « vert » qui peut être éliminé du produit très facilement par simple évaporation, sans laisser aucune trace problématique. L'utilisation de l'azote liquide comme solvant d'extraction s'avère une méthode prometteuse pour la séparation des composés cireux des grains. La qualité des céréales traitées par l’azote liquide demeure inchangée donc elle pourra être considérée comme une étape secondaire dans le processus de polissage. / Wax extraction from plants is conventionally carried out by using organic solvents such as n-hexane, cyclohexane and methanol. Although, those solvents are very effective in dissolving lipids, they are flammable, toxic and highly volatile. Recent studies show that cryogenic fluids could also be used for wax extraction. For instance, cyclic immersion of whole fruits (blueberry, seabuckthorn, grapes) in liquid nitrogen has significantly reduced cuticular waxes up to 50%. So, the main aim of this work is to use liquid nitrogen as a “green method” to extract waxes from cereals. Several approaches were used to evaluate the extraction method by liquid nitrogen. Sorghum, wheat and brown rice were treated in liquid nitrogen in 1 to 3 cycles with different time intervals. The impact of rest time between cycles (1-5 minutes at room temperature) on the extraction yield was also reported by weighing waxes. The extraction efficiency of the method was compared to that of n-hexane which was referred as the control one. The surface of the grains treated by liquid nitrogen and n-hexane was visualized by the scanning electron microscopy (SEM). Finally, the gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) and flame ionization detector (GC –FID) was used to determine the composition in the extracts resulted from the two methods. Our results showed that the highest extraction efficiency was 0.026% (g cire/100g grain) (rice - 11 extraction minutes), 0.032% (Sorghum - 4 minutes) and 0.025% (wheat -13 minutes). Compared to the extraction by n-hexane method, its efficiency was 0.196% (rice – 60 extraction minutes), 0.298% (sorghum - 45 minutes) and 0.126% (wheat - 30 minutes). For wheat and rice, a significant increase in yield between 3 and 5 rest minutes with respect to the one of 1 minute was observed. The results of GC-MS and GC –FID confirmed that the waxes were extracted out of the grains by both liquid nitrogen and n- hexane. The wax composition of the extract is similar in both cases. These results conclude that the wax extraction method by liquid nitrogen is feasible despite it extracts waxes less than that of n-hexane, but the method benefits for the shorter extraction time. Liquid nitrogen is not toxic and is a "green" solvent which can be easily removed from the products by spontaneously simple evaporation leading no leftover residues. Therefore, using liquid nitrogen as the extraction solvent might be a promising way for separating waxes from waxy grains. The quality of grain processed by liquid nitrogen remains unchanged, thus it may be considered a sub-step in the milling process.

Le sorgho sucré (Sorghum bicolor (L.) Moench) et le millet perlé sucré (Pennisetum glaucum(L.) R.BR.) sont deux graminées résistantes à la sécheresse pouvant servir à la fabrication d’éthanol. Leur potentiel en alimentation animale n’a été observé qu’à travers le sous-produit des industries de l’éthanol : la bagasse. L’objectif de l’étude était de déterminer si le sorgho et le millet perlé sucrés représentent des substituts viables au maïs fourrager quant au rendement, à la valeur nutritive et à l’ensilabilité, en production laitière au Canada. Deux hybrides de sorgho sucré BMR (plus digestible), un de millet perlé sucré et un de maïs fourrager ont été comparés dans cinq écozones canadiennes durant deux années consécutives. Au stade phénologique recommandé pour récolter le maïs fourrager, les sorghos et millet perlé sucrés avaient des rendements similaires au maïs dans trois écozones. En moyenne pour les cinq écozones, la teneur en matière sèche du millet perlé sucré (290 g kg-1) était supérieure à celle des sorghos sucrés (250 g kg-1) alors que celle du maïs était en moyenne de 330 g kg-1. La digestibilité in vitro des fibres insolubles au détergent neutre (NDFd) des sorghos sucrés (710 g kg-1 NDF) était supérieure au maïs (590 g kg-1 NDF) alors que leur teneur en unités nutritives totales (UNT) (530 g kg-1 MS) se rapprochait de celle du maïs (550 g kg-1 MS). Le millet perlé sucré présentait une NDFd et une teneur en UNT inférieures au maïs fourrager pour l’ensemble des écozones. Le processus de fermentation du fourrage en ensilage a été complété avec succès pour l’ensemble des hybrides après 90 jours en mini-silos. Les hybrides de sorgho sucrés testés représentent donc des substituts viables au maïs fourrager, à condition d’obtenir une teneur en matière sèche à la récolte d’au moins 300 g kg-1. / Sweet sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and sweet pearl millet (Pennisetum glaucum(L.) R. BR.) are two drought-resistant annual grasses that are suitable for ethanol production.However, their potential for animals feeding was only observed through the by-product of ethanol industries : the bagasse. The objective of this study was to determine if sweet sorghum and sweet pearl millet are sustainable alternatives to corn forage in terms of yield, nutritive value, and ensilability in the Canadian dairy context. Two sweet sorghum hybrids BMR, one sweet pearl millet hybrid, and one forage corn hybrid were compared for two years in five Canadian ecozones. Overall, at the recommended forage corn’s harvesting stage, sweet sorghum and sweet pearl millet had equivalent yields than forage corn in three ecozones. In the five ecozones, the average dry matter (DM) of sweet pearl millet (290 g kg-1) was higher than sweet sorghum hybrids (250g kg-1) and lower than corn (330g kg-1). The in vitrodigestibility of neutral detergent fibre (NDFd) was higher for sweet sorghum (710 g kg-1 NDF) than forage corn (590g kg-1 NDF), while total digestible nutrient (TDN) concentration was similar for sweet sorghum (530g kg-1 DM) and forage corn (550 g kg-1 DM). Across all ecozones, sweet pearl millet had lower TDN concentration and lower NDFd than forage corn. The fermentation process of forage to silage was successfully completed for all hybrids after 90 days in mini laboratory-silos. Sweet sorghum hybrids would represent viable substitutes to forage corn, as long as their DM concentration reaches at least 300 g kg-1 at harvest.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Dans le cadre de ce projet, deux expériences ont été réalisées à la ferme expérimentale de l’Université Laval à Saint-Augustin-de-Desmaures visant à améliorer l’extraction des sucres solubles de la biomasse du millet perlé sucré et du sorgho sucré pour une éventuelle production de bioéthanol. L’expérience de 2013 a démontré que l’imprégnation de la biomasse hachée lors d’un premier pressage avec du jus déjà extrait n’a pas amélioré le rendement en jus des deux plantes et les taux d’extraction des sucres (fructose, glucose, sucrose et sucres solubles totaux) n’ont pas été améliorés suite à cette imprégnation. Les taux d’extraction des sucres solubles totaux de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré sont de 26,5% et 28%, respectivement. L’expérience de 2014 avait pour objectif de déterminer l’effet de l’imprégnation de la bagasse du millet perlé sucré et du sorgho sucré sur le taux d’extraction des sucres. Les résultats ont démontré que l’extraction des sucres résiduels est meilleure avec l’utilisation de l’eau pour l’imprégnation de la bagasse pour un deuxième pressage qu’avec le recyclage du jus de premier pressage. Cependant, la durée de l’imprégnation de la bagasse n’a aucune influence sur l’extraction de ces sucres. En imprégnant la bagasse avec de l’eau, environ 36% et 47,5% des sucres solubles totaux ont été extraits de la biomasse du sorgho sucré et du millet perlé sucré, respectivement. / Two experiments were conducted at the Université Laval experimental station in Saint-Augustin-de-Desmaures to improve soluble sugars extraction from sweet pearl millet and sweet sorghum biomass for an eventual production of bioethanol. The 2013 experiment revealed that wetting the chopped biomass for a first pressing, with the already extracted juice, did not improve the juice yield of both crops. Also, the sugars (fructose, glucose, sucrose, and total soluble sugars) extraction rates have not been improved. The extraction rate of total soluble sugars from the biomass of sweet sorghum and sweet pearl millet were 26.5% and 28%, respectively. The objective of the 2014 experiment was to determine the effects of wetting sweet pearl millet and sweet sorghum bagasse on sugars extraction rates. Results demonstrated that the use of water is more efficient in extracting residual sugars than recycling the first pressing juice. However, the wetting duration has no effect on the extraction of these residual sugars from the bagasse. When using water for impregnation, about 36% and 47.5% of total soluble sugars were extracted from sweet sorghum and sweet pearl millet biomass, respectively.

Notre étude a consisté d'abord, en un travail de caractérisation moléculaire du gène SBNRT1.1 codant pour un transporteur de nitrate et présent en 3 copies chez le sorgho. Nous avons donc analysé leur structure et leur expression dans différents organes de la plante. Une analyse de leurs séquences nucléotidiques et protéiques a été également conduite. Notre étude a montré que les 3 co-orthologues (SBNRT1.1A, B et C) sont exprimés aussi bien dans les feuilles que dans les tiges et les racines du sorgho. Par ailleurs, nous avons révélé, pour la première fois, l'existence de 5 transcrits, de taille variable pour le gène SBNRT1.1B. Dans un autre volet, l'analyse des paramètres de croissance et d'activités enzymatiques clés dans les métabolismes azoté et carboné chez deux écotypes de sorgho connus pour leur différence de croissance dans des conditions de cultures différentes en apport azote, a montré que ces plantes de sorgho se caractérisent par une capacité à croitre à des niveaux élevés d'apports en azote, avec une réponse différentielle des deux écotypes. Cette tolérance s'est manifestée par une accumulation de chlorophylle, d'acides aminés et de protéines. D'autre part, les activités enzymatiques d'enzymes clés des métabolismes azoté et carboné, semblent être liées a la capacité des plantes de sorgho à faire face au stress azoté. Nos résultats pourraient ainsi fournir un cadre initial pour l'identification de marqueurs biochimiques qui pourraient contribuer utilement à la sélection des génotypes utilisant l'azote plus efficacement et donnant un rendement en biomasse et /ou grain, plus élevé, même dans des conditions de stress azoté. / Our study consisted firstly, in the molecular characterization of SbNRT1.1 gene, coding for a nitrate transporter and present in three copies in sorghum plants. We report here their structure and expression patterns in different organs of sorghum. We have also conducted a comparison of their nucleotide and polypeptide sequences with orthologous sequences from other species. Our study showed that the 3 co-orthologous (SbNRT1.1A, B and C) are expressed in leaves, stems and roots of sorghum. Moreover, we have for the first time revealed the existence of 5 alternative transcripts for the SbNRT1.1B gene. In another component of our research program, biochemical and physiological traits of two sorghum ecotypes differing in sensitivity to nitrogen were investigated and have shown that these sorghum plants are able to grow at high levels of nitrogen inputs, with differential response to nitrogen sources and rates. This tolerance was manifested by accumulation of high accumulation of chlorophyll, amino acids and protein. On the other hand, the enzymatic activities of certain key enzymes of nitrogen and carbon metabolisms, seem to be related to the capacity of sorghum plants to deal with nitrogen stress. Hence, our findings could provide an initial framework for the identification of biochemical markers for the selection of genotypes using nitrogen more efficiently and giving high yield of biomass and/or grain even under nitrogen stress conditions.

Sept accessions représentant la diversité génétique du Sorgho (Sorghum bicolor) ont été cultivées dans une condition de carence (N⁻) et une condition non-limitante (N⁺) en nitrate. Les paramètres de croissance (taille de la plante et le nombre de feuilles), les paramètres physiologiques (teneur en nitrate, teneur en protéines, concentrations totales en carbone et azote) et l'activité de la glutamine synthétase (GS) ont été mesurés dans les feuilles et les racines des plantes de sorgho à trois stades précoces de développement végétatif (2, 4 et 6 semaines après germination). Les résultats montrent que : i) les valeurs obtenues pour l’ensemble des paramètres sont généralement plus faibles en situation de carence en nitrate ; ii) la taille des plantes et le nombre de feuilles sont plus grands sous un régime non-limitant ; iii) tous les paramètres étudiés sauf la teneur en Carbone, étaient sensibles à la disponibilité en azote. Cependant, les différents génotypes étudiés affichent de grandes variations dans leurs réponses aux deux conditions de cultures. On observe une variation de la taille des plantes entre les génotypes au cours du développement végétatif précoce, mais pas pour le nombre de feuilles. De même, on observe une grande variation dans les réponses physiologiques entre les différents génotypes. Des corrélations fortes et significatives ont été détectées entre la taille des plantes et la teneur en nitrate. Cependant ces corrélations varient selon les conditions de cultures et les génotypes étudiés. En outre, la teneur en nitrate et l'activité GS mesurés aux stades précoces de croissance, semblent être de bons marqueurs pour discriminer entre les différents génotypes pour leur aptitude à absorber ou assimiler les nitrates dans les deux conditions de cultures. L’expression dans les feuilles et racines de deux génotypes de sorgho, de deux copies d’un gène candidat pour l’efficacité d’utilisation d’azote, SbNRT1.1 codant pour un transporteur de nitrate, varie en fonction de la disponibilité en nitrate, de l’organe et de l’âge de la plante. Notre étude constitue une première contribution à l’analyse de l’efficacité d’utilisation d’azote chez le sorgho par une approche physiologique et une approche génétique. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives pour de futures études fondamentales mais aussi des recherches finalisées qui conduiront à l’identification de génotypes valorisant mieux l’azote. / Seven accessions of Sorghum bicolor were grown with low (N⁻) and optimal (N⁺) nitrate supply. Growth parameters (plant height and leaf numbers), physiological parameters (nitrate, protein, total N and total C contents) and the activity of glutamine synthetase (GS) were studied in leaves and roots of sorghum plants at three time points of early vegetative growth (2, 4 and, 6 weeks post emergence). Plant height and leaf number were higher with nitrate supply. Except for carbon, all studied parameters were sensitive to N availability and values were typically lower when nitrate supply was low. However, different genotypes displayed considerable variation in their response to N regimes. Variation among genotypes during early vegetative development was observed for plant height, but not for leaf number. Likewise, physiological parameters varied among accessions. A significant and strong correlation, N- and accession-dependent, was detected between plant height and nitrate content. Moreover, nitrate content and GS activity at early growth stages appeared to be good markers to discriminate between nitrate uptake and assimilation capacities of different accessions under both N conditions. In some sorghum accessions, protein and total N content were indicative of high nitrate reduction and assimilation even under N limitation. Chlorophyll content was also sensitive to N availability. Furthermore, expression studies of SbNRT1.1gene copies in leaves and roots of two accessions reflected variability in expression dependent on nitrogen condition, plant organ, plant age, and gene of interest. This study is helpful to characterize different aspects of the N metabolism in sorghum and may aid in the identification of sorghum genotypes with enhanced nitrogen use efficiency, a trait that is of key interest in one of the most important crop plants in arid and semi-arid regions.

En 1996, la FAO a reconnu le rôle des agriculteurs dans la construction des ressources génétiques. Dans ce contexte, l'objectif général du projet PLANTADIV, dans lequel s'inscrit cette thèse, est d'appréhender comment les facteurs anthropiques et biologiques interagissent et façonnent la diversité génétique des plantes cultivées dans le bassin du lac Tchad. Dans cette région, les populations ont mis au point une innovation agricole originale : l'utilisation en contre-saison de terres argileuses inondées pour repiquer du sorgho. Les variétés de sorgho repiqué sont capables de puiser dans les réserves hydriques du sol pour accomplir leur cycle végétatif en saison sèche sans autre apport d'eau. Le sorgho repiqué connaît un large développement dans la région depuis la moitié du XXe siècle. Le projet de thèse se focalise sur l'estimation de la diversité génétique des sorghos repiqués et sur les mécanismes biologiques et génétiques qui ont pu contribuer à sa structuration intra et inter variétale. Nous avons également entrepris de retracer l'histoire évolutive des sorghos repiqués en nous appuyant essentiellement sur des outils de génétique des populations pour discuter les hypothèses géographiques et historiques existantes. Cette étude a mis en évidence qu'au moins deux événements de dessaisonalisation avaient eu lieu à partir de sorghos pluviaux provenant de deux groupes génétiques différents. Les sorghos repiqués sont plus différenciés que les sorghos pluviaux. Ceci peut s'expliquer en partie par les pratiques paysannes : les sorghos pluviaux sont échangés plutôt via les amis, la famille et les voisins, alors que les sorghos repiqués le sont plutôt via les marchés. De par les nombreux échanges de semence entre les différentes populations humaines dans cette région, l'étude phylogénétique n'a pas permis de mettre en évidence le(s) lieu(x) d'origine de dessaisonalisation.La seconde partie de ce travail a été consacré à la biologie de la reproduction du sorgho repiqué. Les méthodes de calcul indirectes et directes ont montrées que le sorgho repiqué est, comme le sorgho pluvial, préférentiellement autofécondé. Le taux moyen chez le sorgho repiqué est cependant plus faible (1,8%) que pour le sorgho pluvial (12%). De même, les variations d'allofécondation entre des panicules d'un même type nommé semblent plus faibles que pour le sorgho pluvial. La dernière partie de la thèse est consacrée aux impacts des pratiques agricoles sur la structuration de la diversité génétique des sorghos repiqués à une échelle locale. Les analyses génétiques ont montré, que ce soit pour le village de Djongdong ou celui de Bouzar, situés à l'extrême Nord du Cameroun, que pour un agriculteur donné, chaque type nommé correspond à une entité génétique. De plus, un même morphotype chez différents agriculteurs correspond aussi à une entité génétique. Les modes de gestion des semences et les pratiques culturales ont été analysés, elles influencent peu la structuration de la diversité génétique du sorgho repiqué. / In 1996, FAO has recognized the role of farmers in building and managing genetic resources. This work is part of the project PLANTADIV which main objective is to understand how biological and anthropogenic factors interact and shape diversity of cultivated plants in the Lake Chad Basin. In this region, people have developed an original agricultural innovation: the use in dry-season of flooded clay soils for transplanting sorghum. Transplanted sorghum varieties are able to tap into soil moisture reserves to complete their growth cycle in the dry-season without any water supply. Transplanted sorghum cultivation undertook a large development in the region since the middle of the XX century.The thesis project focuses on the estimation of the genetic diversity of planted sorghum and on biological and genetic mechanisms that may have contributed to its structuration both within and between landraces. We also undertook to trace the evolutionary history of planted sorghum by relying primarily on population genetics approaches to elaborate over geographical and historical hypotheses.This study revealed that at least two events of deseasonalization occurred from rain- sorghum pools from two different genetic groups. Differentiation of dry-season sorghum is stronger than that of rain-sorghum. This may be partially due to social practices: rainy sorghum are mainly exchanged through friends, families and neighbors as planted sorghum seeds are often obtain from markets. Extensive seed exchange between different human populations across the region may have blurred the geographical pattern of the genetic diversity, not allowing us to identify potential sites for deseasonalization.The second part of this work is devoted to the reproductive biology of dry-season sorghum. Direct and indirect estimation methods have shown that dry-season sorghum is, as rain sorghum, preferably selfing. Average level of out crossing is nevertheless lower in dry-season sorghum (1.8%) than it is in rain-sorghum (12%). Within landraces, variations are also smaller for dry-season sorghum than for rain-sorghum.The last part of the thesis is devoted to the impacts of agricultural practices on the structure of the genetic diversity of dry-season sorghum at a local scale. Genetic analyzes have shown that in both studied villages of Djongdong and Bouzar, located in the extreme north of Cameroon, each landrace named by a farmer corresponds to a genetic entity. In addition, the same morphological type among different farmers corresponds to a genetic entity. Modes of seed management and cultural practices were analyzed; they seem to have little influence on the structure of the genetic diversity of dry-season sorghum.