Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The relationships between leaf and fruit represent a fundamental concept in perennial plants. This concept allows to understand and to manage, with regard to farming, the balance of a vine, which is important in terms of fruit quality (i.e. fruit composition), mainly when it comes to producing wines of different categories and styles. The understanding of vine structure, physiology and vine functioning ultimately allows for appropriate recommendations to be given with regard to farming procedures. These include the adaptation of the canopy architecture to achieve a certain yield per vine, the determination of an appropriate fruit microclimate as well as the prediction of harvest dates. One of the central notions of vine balance involves the relationship between the source and the sink organs. The definition of source-sink relationships incorporates several concepts, including the ability of a source tissue to produce carbohydrates through photosynthesis, the transport of these carbohydrates to various plant organs-tissues via appropriate transport channels, and the assimilation and storage of the carbohydrates in the sink organs. In past years, a number of simple ratios have been created to incorporate the relationship between source and sink organs and thereby define vine balance in order to aid in practical management decisions (choice of a training system, irrigation, canopy manipulation etc.). However, vine functioning is very complex and cannot be defined accurately by simple, static ratios. More integrated and dynamic physiological indicators of vine balance and functioning are needed in order to understand the complex communication between organs and ultimately improve on farming practices. In order to achieve this, a better grasp of source-sink relationships, including the signalisation between organs and the functioning of the transport tissues is required. A two year experiment was proposed to study the interaction between source and sink organs using a combination of both primary shoot girdling methods and berry classification according to size. Girdling removes the bark and phloem tissue, thereby interrupting carbon import as well as water flow to the bunch to a certain degree. The aim of the study was to demonstrate the complexity of vine functioning by investigating the dynamics of berry sugar and water accumulation (used as physiological indicators) and the influence thereof on berry fresh mass evolution. Furthermore, the use of berry sugar loading was proposed as an improved physiological indicator of vine balance as it is directly linked to source and sink functioning. Sugar production and the dynamics of berry sugar accumulation rely on photosynthesis which in turn is dependent on stomatal conductance and therefore also incorporates the effects of external abiotic factors (temperature, light and water). It furthermore gives a direct indication of sink functioning as it shows the progressive accumulation of sugar throughout the ripening period and the possible consequences on berry volume evolution. A primary shoot which bore two bunches was used to represent a biological replicate. The lower bunches were girdled above and below in order to completely isolate them from any carbohydrate import. These bunches, along with the upper ungirdled bunches and two control bunches from another shoot were sampled. The berries from these bunches were classified according to diameter, thereby providing the unique opportunity to study berries of the same volume/size. Measurements were done to determine the fresh and dry masses of the sampled berries, as well as to analyse the concomitant sugar concentrations. It was found that girdling clearly had an effect on berry sugar dynamics and the method was improved in the second year of the trial. Girdling in interaction with berry classification according to diameter demonstrated that berries from the same size could have different sugar concentrations. It further showed that, to a certain degree, a relationship exists between the first rapid phase of sugar accumulation and the post véraison increase in berry fresh mass, until the plateau of fruit sugar accumulation, which generally occurs around a sugar concentration of 20 Brix. Additionally, and more importantly, it was found that vine functioning and the balance between the source and the sink organs may be controlled to a certain degree. There is a strong degree of compensation within a vine which results from signalling between and within organs. When taking the results of this study into consideration, it becomes clear that the classical ratios used to quantify the complex relationships between the fruit and the leaves may not be completely adequate to do so. The current way of looking at source-sink relationships and thereby determining whether a vine is balanced or not is over-simplified and there are numerous limitations involved in this approach. The vine is far more complex and various aspects must be taken into consideration before any claims can be made concerning source-sink relationships and consequently leaf to fruit balance. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die verhoudings tussen blaar en vrug verteenwoordig ‘n fundamentele konsep in meerjarige plante. Begrip van hierdie konsep maak dit moontlik om in boerdery die balans van ‘n wingerdstok te verstaan en bestuur. Hierdie wingerdbalans is belangrik in terme van vrugkwaliteit (d.w.s. vrugsamestelling), hoofsaaklik met betrekking tot die produksie van wyne van verskillende kategorieë en style. Begrip van die wingerdstok se struktuur, fisiologie en funksionering maak dit moontlik om gepaste aanbevelings te maak rakende boerdery prosedures. Dit sluit in die aanpassing van die lower argitektuur om ‘n sekere opbrengs per wingerdstok te verkry, die vasstel van ‘n geskikte vrug mikroklimaat asook die voorspelling van oesdatums. Een van die sentrale denkwyses rondom wingerdstok funksionering behels die die bron-vragpunt verhouding. Die definisie van bron-vragpunt verhoudings inkorporeer verskeie konsepte, insluitende die vermoë van ‘n bronweefsel om koolhidrate te produseer deur fotosintese, die vervoer van hierdie koolhidrate na verskeie plantorgaan weefsels via die gepaste vervoerkanale asook die opname en berging van hierdie koolhidrate in die vragpunt organe. In die verlede is ‘n aantal eenvoudige verhoudings geskep om die verband tussen die bron en vragpunt organe te beskryf en sodoende die wingerdstokbalans te definieer met die doel om ondersteuning te bied in praktiese bestuursbesluite (die keuse van opleistelsel, besproeiing, lowermanipulasie, ens.). Wingerdstok funksionering is egter baie kompleks en kan nie akkuraat gedefinieer word deur eenvoudige, statiese verhoudings nie. Meer geïntegreerde en dinamiese fisiologiese aanwysers van wingerdstokbalans en funksionering is nodig om die komplekse kommunikasie tussen organe te verstaan en uiteindelik boerdery praktyke te verbeter. Om dit te bereik is ‘n beter begrip van bron-vragpunt verhoudings asook die seinoordrag tussen organe en die werking van die vervoerweefsels nodig. ‘n Twee jaar lange eksperiment is voorgestel om die interaksie tussen bron- en benuttingsorgane te ondersoek deur gebruik te maak van beide die primêre loot ringelering metode en korrel klassifikasie volgens grootte. Ringelering verwyder die bas en floëem weefsel en onderbreek sodoende koolstof invoer sowel as watertoevoer na die tros tot ‘n sekere mate. Die doel van die studie was om die kompleksiteit van wingerdstok funksionering aan te toon deur die dinamika van suiker en water akkumulasie in die korrel te ondersoek asook die invloed daarvan op korrel vars massa ontwikkeling. Verder is die gebruik van korrel suikerlading voorgestel as ‘n beter fisiologiese aanduiding van wingerdstok funksionering aangesien dit direk geassosieer is met bron-vragpunt funksionering. Suikerproduksie en die dinamika van suiker akkumulasie in die korrel berus op fotosintese wat weer afhanklik is van stomatale geleiding en daarom ook die effek van eksterne abiotiese faktore (temperatuur, lig en water) inkorporeer. Dit gee verder ‘n direkte aanduiding van die funksionering van die vragpunt organe omdat dit die progressiewe akkumulasie van suiker gedurende die rypwordingsperiode aantoon, asook die moontlike gevolge op korrelvolume ontwikkeling. ‘n Primêre loot wat twee trosse dra is gebruik om ‘n biologiese herhaling te verteenwoordig. Die laer trosse is bo en onder geringeleer om hulle heeltemal te isoleer van enige koolhidraat invoer. Hierdie trosse, tesame met boonste ongeringeleerde trosse en twee kontrole trosse vanaf ‘n ander loot is gemonster. Die korrels van hierdie trosse is geklassifiseer volgens hulle deursnee, om sodoende die unieke moontlikheid daar te stel om korrels van dieselfde volume/ grootte te bestudeer. Metings is gedoen om die vars en droë massas van die gemonsterde korrels te bepaal, asook om die gepaardgaande suikerkonsentrasies te analiseer. Daar is gevind dat ringelering duidelik ‘n effek gehad het op korrelsuiker dinamika en die metode is verbeter in die tweede jaar van die proef. Ringelering in wisselwerking met korrel klassifikasie volgens korrel deursnee het aangetoon dat korrels met dieselfde grootte verskillende suikerkonsentrasies kon hê. Dit het verder aangedui dat daar, tot ‘n sekere mate, ‘n verhouding bestaan tussen die vinnige fase van suiker akkumulasie en die na-véraison toename in korrel vars massa, totdat die plato in suiker akkumulasie bereik word, gewoonlik rondom ‘n suikerkonsentrasie van 20 Brix. Daarbenewens, en van groter belang, is gevind dat wingerdstok funksionering en die balans tussen die bron en vragpunt organe onder ‘n mate van beheer is. Daar is ‘n sterk mate van kompensasie binne ‘n wingerdstok wat die gevolg is van seinoordrag tussen en binne organe in die wingerdstok. Wanneer die resultate van hierdie studie in aanmerking geneem word, word dit duidelik dat die klassieke verhoudings, wat gebruik word om wingerdstok funksionering en balans mee te bepaal, moontlik nie beduidend betekenisvol is nie. Die wyse waarop bron-vragpunt verhoudings tans beskou word is, tot ‘n mate, ‘n oorvereenvoudiging en daar is heelwat beperkinge betrokke by hierdie benadering. Die wingerd is baie meer kompleks en verskeie aspekte moet in aanmerking geneem word voordat enige bewering gemaak kan word rakende bron-vragpunt verhoudings. / The University of Stellenbosch and Winetech for financial support

Les relations entre l'activité de la source et l'activité du puits contrôlent en grande partie la croissance des plantes. Ces activités varient au cours du développement, mais aussi en réponse à des changements des conditions environnementales. Notre étude avait pour but d'identifier le rôle du métabolisme carboné dans la réponse de la croissance d'E. americanum à la modulation des activités de la source et du puits. Dans une première partie, l'activité du puits est modulée par la température de croissance. Aux fortes températures, l'activité du puits est plus élevée, alors que sa capacité est réduite. Ces effets, dus à la modulation du métabolisme du saccharose, mènent à une saturation précoce en amidon des bulbes à forte température. Par la suite, la baisse de la demande en carbone du puits induit un rétrocontrôle négatif de l'activité photosynthétique et finalement, la sénescence foliaire. À l'inverse, l'activité du puits à faible température est en rythme avec l'accroissement de la capacité, menant à une biomasse supérieure du bulbe en fin de croissance épigée. Dans une seconde partie, l'activité de la source est modulée en changeant la concentration en CO2 et en O3. Malgré la stimulation de la source sous fort CO2 et son inhibition sous fort O3, l'accumulation d'amidon et la biomasse du bulbe ne sont pas affectées. En effet, le surplus de carbone parvenant au puits est brûlé par la voie alternative de la respiration, celle-ci étant stimulée par l'activité de l'enzyme malique. La voie alternative de la respiration évite ainsi une saturation hâtive en amidon et éventuellement, une sénescence foliaire précoce. Dans une dernière partie, l'activité de la source est modulée par l'irradiance et la photopériode. L'accumulation d'amidon varie en fonction de la photopériode alors que l'irradiance n'a aucun effet. De plus, l'activité photosynthétique est inhibée très précocement sous longue photopériode. Cette inhibition semble due à un déséquilibre entre la quantité totale de carbone fixé par jour et son utilisation suite à son transfert au sein du bulbe. Nous pouvons donc conclure que les régulations du métabolisme carboné permettent d'ajuster l'activité du puits à la capacité de celui-ci chez l’E. americanum / Relationships between source and sink activities largely control the growth of plants. Both activities vary during development as well as in response to changes in environmental conditions. The aim of our study was to identify the role carbon metabolism plays in the response of E. americanum growth to changes in source and sink activities. Firstly, sink activity is modulated by changing growth temperature. Sink activity is higher at higher temperatures, whereas sink capacity is more restricted. These effects, due to the modulation of sucrose metabolism, lead to an earlier starch saturation of bulbs at higher temperature. Thereafter, the reduction in carbon sink demand induces a feedback inhibition of photosynthetic activity and finally, leaf senescence. In contrast, sink activity at low temperature is more in rhythm with the increasing sink capacity, leading to larger bulbs at the end of the epigeous growth season. Secondly, source activity is modulated by changing CO2 and O3 concentrations. Despite a stimulation of the source activity under high CO2 and its inhibition under high O3, neither plant growth nor starch accumulation was affected. Indeed, excess carbon translocated within the sink is burned by the alternative respiratory pathway. This pathway is stimulated by malic enzyme. Alternative respiratory pathway thus avoids an early starch saturation of the bulb and eventually, an early leaf senescence. Finally, source activity is also modulated by changing irradiance and photoperiod regimes. Starch accumulation changes in response to photoperiod but not to irradiance. Furthermore, photosynthetic activity is inhibited early in the season under long photoperiod. This inhibition seems due to an imbalance between the total amount of carbon fixed per day and its utilisation following translocation to the bulb. We can thus conclude that regulation of carbon metabolism allow to adjust sink activity to sink capacity in E. americanum.

L’objectif de cette thèse était d’étudier les transporteurs de saccharose impliqués dans le développement des organes puits, et plus précisément leur rôle dans la racine des plantes soumises à la contrainte hydrique.L’expression des transporteurs AtSUCs et AtSWEETs a été cartographiée, au cours du développement complet de plantes A. thaliana cultivées en hydroponie, dans la rosette, la hampe, les siliques et les racines. En parallèle, nous avons évalué l’allocation du carbone et le métabolisme des sucres dans la plante entière au cours du développement pour finalement (1) avoir un aperçu de l’allocation du carbone, du métabolisme des sucres ainsi que de l’expression des transporteurs de saccharose et (2) discuter leurs possibles relations.Dans un second temps, nous avons conçu un système de culture en sol innovant appelé « Rhizobox » permettant la récolte de racines propres, l’analyse de l’architecture du système racinaire et l’application de la contrainte hydrique. Lors de la contrainte hydrique, la croissance racinaire est réduite, mais l’exploration en profondeur du système racinaire est maintenue probablement pour améliorer l’absorption d’eau. De plus, même si la rosette soumise à la contrainte hydrique était plus petite, l’export de 14C, vers la racine, était augmenté. Dans le même temps, les niveaux de transcrits des gènes de facilitateurs de saccharose AtSWEET11 et AtSWEET12 ainsi que du gène AtSUC2, un symporteur saccharose:H+ spécifique de la cellule compagne, tous trois impliqués dans le chargement du saccharose dans le phloème, étaient augmentés dans les feuilles des plantes soumises à la contrainte hydrique, corroborant l’augmentation de l’export du carbone vers la racine. De façon intéressante, les niveaux de transcrits des gènes AtSUC2 et d’ASWEET11-15, étaient plus élevés dans les racines stressées, soulignant (1) la potentielle existence d’un déchargement apoplastique du saccharose dans la racine d’A. thaliana et (2) un rôle putatif pour ces transporteurs de saccharose dans le déchargement du saccharose dans la racine étant donné qu’ils sont principalement exprimés dans les zones de la racine où la demande en carbone est importante. / The aim of this thesis was to investigate the sucrose transporters involved in sink organs development, and more precisely their role in roots of plants submitted to water deficit.The expression of AtSUCs and AtSWEETs transporters was mapped during the full development of A. thaliana plants grown hydroponically in rosette, stem, siliques and roots. In parallel, we evaluated C partitioning and sugar metabolism in whole plant during development to finally (1) get an insight on C allocation, sugar metabolism and sucrose transporters genes expression and (2) discuss their possible relationships.Secondly, we designed an innovating soil culture system, called “Rhizobox” which allows clean roots harvest, root system architecture analysis and water deficit experiment. Under water deficit, root growth was reduced, but in depth root exploration was maintained probably to improve water uptake. In addition, although shoot submitted to water deficit were smaller, 14C exported to the roots increased. In the same time, the transcript levels of the sucrose effluxers gene AtSWEET11 and AtSWEET12 and the companion-cell specific sucrose:H+ symporter gene AtSUC2, all three involved in sucrose phloem loading, are up-regulated in leaves of water deficit plants, agreeing with the increase in carbon export to the roots. Interestingly, the transcript levels of AtSUC2, and AtSWEET11-15, were higher in stressed roots, underlying (1) the potential existence of sucrose apoplastic unloading in Arabidopsis roots and (2) a putative role for these sucrose transporters in sucrose unloading in root since they are mainly expressed in root zones where C demand is high.

Dans l'optique de produire des agro‐carburants, le sorgho sucré est aujourd'hui proposé comme une alternative à d'autres espèces cultivées à grande échelle comme la canne à sucre et le maïs car il présente plusieurs avantages : le sorgho est résistant à la sécheresse et à la chaleur, il nécessite peu d'intrants, a en moyenne un cycle de culture relativement court (3‐4 mois) comparé à la canne à sucre. Il offre une grande diversité génétique à explorer et exploiter, tout en étant génétiquement moins complexe que la canne à sucre. Finalement, il peut être cultivé pour un double usage, le grain pouvant être utilisé comme source d'alimentation pour l'homme ou le bétail (à partir du grain) et le jus sucré contenu par les tiges comme source d'agrocarburant. Cette polyvalence en fait une culture idéale pour lutter contre la compétition entre cultures énergétiques et cultures vivrières et assurer des rendements dans des environnements de culture sujets au stress hydrique et thermique comme c'est le cas en Afrique de l'Ouest. Cependant, le caractère sucré du sorgho est complexe, car sous l'influence d'interactions Génotype X Environnement (GxE). Aussi, les mécanismes métaboliques, morphologiques ou phénologiques constituant la cinétique d'accumulation des glucides dans la tige et son éventuelle compétition avec le remplissage des grains restent mal connus ou très controversés dans la littérature. La présente thèse, réalisée dans le cadre du projet européen Sweetfuel, vise à comprendre ces mécanismes, afin de contribuer à la définition d'idéotypes de sorgho double usage, pour les environnements soudano‐sahéliens.Sur la base d'études expérimentales au champ au Mali et en serre en France, il a pu être démontré que les glucides sont accumulés dans les entrenoeuds des tiges par un jeu d'activités enzymatiques (favorisant l'accumulation d'hexoses puis de saccharose) dès le début de leur élongation, donc potentiellement avant la floraison. Au Mali, l'étude au champ de 14 génotypes adaptés aux conditions locales, plus ou moins sensibles à la photopériode et semés à trois dates différentes, a démontré le bénéfice d'un rallongement de la phase végétative sur la quantité de sucre accumulée dans les tiges de la plante à floraison, du fait d'un plus grand nombre d'entrenoeuds allongés et du temps à leur disposition pour accumuler des glucides avant ce stade. Ce bénéfice était cependant plus lié à la plus grande quantité de biomasse accumulée (taille des tiges) qu'à la concentration en sucre dans les entrenoeuds (plutôt stable entre dates de semis).Ainsi, la durée de la phase végétative et la sensibilité à la photopériode sont proposés comme des paramètres clés favorisant la quantité de glucides accumulée dans les tiges de la plante à floraison. D'autre part, il a été montré que la quantité de glucides présente à maturité dans les tiges des mêmes génotypes ne différait pas ou peu de celle à floraison, une éventuelle réduction pour quelques génotypes n'étant généralement pas significative et évitable par l'allongement du cycle. De plus, cette quantité de glucides dans les tiges à maturité n'a tiré aucun bénéfice de l'ablation de la panicule à floraison chez les mêmes génotypes. Ces résultats suggèrent que la compétition entre le remplissage du grain et la production de sucre est faible chez le sorgho, d'autant plus faible que la plante présente de grandes tiges et donc un grand compartiment de stockage des glucides, tamponnant cette éventuelle compétition. D'ailleurs, à une échelle plus fine, aucune différence n'a pu être mise en évidence en termes d'activité des principales enzymes du métabolisme carboné dans la tige d'un génotype dans sa version stérile (pas de remplissage du grain) et fertile.Ce travail a démontré le potentiel du sorgho pour une double utilisation dans un contexte soudano‐sahélien et la pertinence d'exploiter la diversité génétique de cette espèce pour cette objectif de sélection. Les résultats ob / Sweet sorghum offers many advantages as an alternative to widely cultivated crops such as corn and sugarcane to produce biofuels: it is resistant to water stress, it requires few inputs; it has a shorter growth cycle compared to sugarcane in particular. Sorghum also exhibits a great genetic diversity and is genetically less complex than sugarcane. Finally, sorghum can be cultivated for dual‐purpose uses, using grains for food or feed and sweet juice for biofuel production. Hence, sorghum is a promising option to reduce the competition for land and (water) resource use between food and fuel, in particular in cropping environments with high drought and heat stress frequency, as in West Africa. However, stem sweetness is a complex trait prone to genotype x environment interactions (GxE). The metabolic, morphological and phenological mechanisms involved in the kinetic of stem sugar accumulation and its possible competition with grain filling are largely unknown or controversial in the literature. The present work is part of the European project Sweetfuel and aims at better understanding these mechanisms and contributing to define dual‐purpose sorghum ideotypes for soudano‐sahelian conditions.Based on field and greenhouse experiments respectively in Mali and France, it was found that sugars start accumulating in stem internodes at the onset of their elongation, i.e. potentially soon before the plant flowers. The successive accumulation of hexose and then sucrose in internodes could be dynamically explained by changes in the activity of key enzymes related to sucrose metabolism. In Mali, a field experiment performed on 14 genotypes, contrasted for photoperiod sensitivity and sown at three planting dates, highlighted the interest of increasing vegetative phase duration to increase sugar yield. This was explained first of all by the higher number of internodes that could expand during a longer vegetative phase, and thus, by the higher production of stem biomass, and, to a minor extent, by the longer time for internodes to mature and accumulate sugar (sugar concentration in the stem was however fairly stable across sowing dates). Also, vegetative phase duration and photoperiod sensitivity can be considered as two key parameters promoting stem sugar content before grain filling. In the same time, it was shown that stem sugar content kept remarkably constant between anthesis and maturity in most of studied genotypes and that the reduction observed for some genotypes was overcome with an early sowing. Moreover, sugar accumulation in the stem between flowering and maturity did not benefit from panicle pruning. These results together suggest that the competition for carbohydrates between stem sugar reserves and grain filling is weak; it is even weaker for big/large stem genotypes with huge sugar reserves in the stem that would buffer a post‐flowering allocation of sugar from the stem to the grains if required. This low competition was confirmed at a finer scale, as no differences were observed in the activity of key enzymes of sucrose metabolism between the sterile and the fertile line of a same genotype.This work demonstrates the potential of sorghum for dual‐purpose in particular for soudano‐sahelian cropping conditions and the interest of using its genetic diversity for this breeding purpose. It provides further knowledge for revisiting the phenotyping strategies to be adopted to investigate the genetic basis of sugar and grain production and their combination. The results are also currently used to improve the way the source‐sink relationships underlying this dual production are formalized in crop and plant models at CIRAD. Such models will be then useful to assist sorghum ideotype exploration for dual purpose.