Dans l'optique d'une meilleure prévision des performances des cultures associées à base de légumineuses, il est nécessaire d'accroître nos connaissances sur la mise en place de la compétition entre les espèces associées. Ainsi, la croissance précoce, de la levée jusqu'au début de la compétition, est une phase déterminante de la compétitivité initiale de chaque espèce. La croissance précoce serait fonction des traits de semence et de plantule, i. e. masse de la semence, type de levée (épigée ou hypogée) en relation avec les conditions de semis, i. e. durée de levée, disponibilité en éléments minéraux. Les objectifs de la thèse étaient (i) d'identifier et de modéliser les effets des facteurs déterminants de la croissance précoce en lien avec les traits de semence et plantule et les conditions de semis (ii) et d'évaluer les impacts de variations de la croissance précoce sur la suite du cycle. Les expérimentations réalisées ont permis de mettre en évidence et de modéliser les effets de la masse de la semence et du degré d'utilisation des réserves séminales (en fonction de la durée de levée) sur la croissance précoce. La nutrition minérale a eu un effet stimulant chez toutes les espèces étudiées. L'intégration de la croissance précoce dans un modèle de fonctionnement de l'association pois-blé (AZODYN-IC) a montré que des variations de la croissance précoce avaient des conséquences sur la biomasse et sur la proportion de chaque espèce en fin cycle. Ces impacts ont aussi été observés expérimentalement. Les résultats obtenus apportent des éléments pour prédire le fonctionnement des cultures associées et pour proposer des leviers afin d'orienter les performances de ces couverts.

Afin d’approfondir les connaissances sur les liens entre la structure et les propriétés nutritionnelles de pâtes alimentaires, des pâtes de structures contrastées ont été produites en modifiant la formulation et/ou le procédé de fabrication. Leur structure a été caractérisée aux différentes échelles, puis les caractéristiques définies ont été reliées à la digestibilité des protéines et de l’amidon. Le remplacement partiel ou total de la semoule de blé dur par des farines de légumineuses dans la fabrication des pâtes a engendré des changements structuraux à plusieurs niveaux. Un affaiblissement marqué de la structure du réseau protéique proportionnel à la quantité de légumineuses incorporées a notamment été observé, conduisant à une amélioration de la digestibilité in-vitro des protéines. La digestibilité in-vitro de l’amidon était en revanche maintenue à son faible niveau voir même réduite. L’application de différentes températures de séchage a amplifié les modifications de la structure des pâtes enrichies en légumineuses. Ces différences s’atténuaient toutefois après cuisson, n’engendrant de fait aucune modification marquée de la digestibilité in-vitro des protéines entre une pâte cuite préalablement séchée à basse ou à très haute température. Les teneurs en facteurs antinutritionnels étaient réduites par le procédé de fabrication et de cuisson des pâtes. A quantité égale de protéines consommées, l’étude in-vivo a révélé une augmentation de la croissance et de l’efficacité azotée chez les rats nourris avec les pâtes mixtes blé/fèverole (65/35) par comparaison aux rats nourris aux pâtes 100% blé. L’assemblage blé/fèverole constituait un mélange protéique efficace pour la croissance des rats jeunes, probablement du fait de son profil équilibré en acides aminés, et de la structure affaiblie du réseau protéique. Par ailleurs, les différentes températures de séchage appliquées aux pâtes n’ont pas engendré de différence au niveau de la rétention azotée in-vivo. Les spécialités pastières développées au cours de ce travail de thèse sont jusqu’à trois fois plus riches en protéines et mieux équilibrées en acides aminés, comparativement à une pâte alimentaire classique. Ces spécialités pastières sont aussi appréciées que leurs homologues qui se vendent sur le marché. En outre, la recette mixte blé/légumineuses peut être adaptée à tout consommateur souhaitant diversifier ses apports en protéines, mais également à certaines populations spécifiques, notamment aux personnes âgées. La recette 100% légumineuses peut concerner les personnes intolérantes au gluten. Ces spécialités pastières pourraient de ce fait, trouver une large application à l’échelle industrielle. / In order to reinforce our knowledge about the links between structural and nutritional properties of pasta, pasta with contrasting structures were produced by modifying the formulation and/or the manufacturing process. Pasta structure was then characterized using a multiscale approach and linked to the digestibility of protein and starch fractions. The modification of pasta formulation by partial or total substitution of durum wheat semolina by legume flours changed pasta structure at various scales. A marked weakening in the structure of pasta protein network proportional to the level of legume protein incorporated was observed and related to an improvement of the in-vitro digestibility of pasta proteins. Interestingly the in-vitro starch digestibility was maintained at its low level or even reduced in mixed pasta. Changing pasta drying temperature amplified changes in the pasta structure. These differences, however, were reduced after cooking pasta resulting in unchanged in-vitro protein digestibility between cooked pasta dried at low or very high temperature. Anti-nutritional factors were also reduced by the manufacturing and cooking steps. In-vivo study revealed a better growth and nitrogen efficiency in rats consuming the same quantity of proteins from wheat/faba (65/35) mixed pasta in comparison with animals fed with 100% wheat pasta. This was probably related to the better amino acid balance, and to the weakened protein network in mixed pasta. The change in drying temperatures did not allow modifying protein retention. Pasta developed in this thesis are up to three fold richer in proteins than traditional wheat pasta, and more balanced in essential amino acids. Produced pasta are appreciated by the consumer as well as their counterparts found on the marked. Mixed wheat/legume may be adapted to the elderly people, whereas 100% legume pasta may be consumed by gluten intolerant subjects. Produced pasta may therefore find wide application at the industrial scale.

Les plantes de la famille des légumineuses ont acquis la capacité d’accueillir au sein d’organes symbiotiques, les nodosités, des bactéries fixatrices d’azote appelées bactéroïdes. Cette symbiose permet aux plantes hôtes de satisfaire leurs besoins en azote. Certaines légumineuses produisent au sein des nodosités une grande famille de peptides antimicrobiens particuliers, les NCR (Nodule-specific Cysteine-Rich). Ils permettent à l’hôte de contrôler la population bactérienne intracellulaire via leurs activités antimicrobiennes, mais aussi d’imposer aux rhizobia une différenciation terminale des bactéroïdes. Durant ma thèse, j’ai participé à l’identification et à la caractérisation de la protéine bactérienne BclA. Ce transporteur ABC est nécessaire pour la formation de bactéroïdes différenciés lors de la symbiose Aeschynomene-Bradyrhizobium. Pour mieux comprendre sa fonction symbiotique, j’ai étudié la relation entre BclA et une enzyme de modification du peptidoglycane, la DD-carboxypeptidase 1. J’ai pu montrer que ces deux facteurs agissent de manière indépendante dans la mise en place de bactéroïdes différenciés. Une analyse fonctionnelle de BclA et une expérience d’évolution expérimentale avec le mutant bacA de Sinorhizobium, un orthologue de bclA, apportent une meilleure compréhension du rôle de ces transporteurs in vivo. L’ensemble des résultats obtenus pendant ma thèse suggère que BclA et BacA assurent la résistance bactérienne face aux NCR in planta, comme un prérequis pour la suite du processus, mais ne sont pas nécessaires à la différenciation per se. De plus, leurs activités d’import des NCR ne semblent pas être le mécanisme sous-jacent du processus de résistance. / Plants of the legume family have acquired the ability to host in specific symbiotic organs, the roots nodules, nitrogen fixing bacteria, called bacteroids. This symbiosis allows plants to fulfill all their nitrogen requirements. Some legume plants produce in their nodules a large family of antimicrobials peptides called the NCRs (Nodule-specific Cysteine-Rich). Their antimicrobial activities allow the host plant to control the intracellular bacterial population. NCRs peptides also govern terminal differentiation of the bacteroids. During my PhD work, I participated in the identification and characterization of BclA. This bacterial ABC transporter is involved in bacteroid differentiation during the Aeschynomene- Bradyrhizobium symbiosis. In order to better understand its symbiotic function, I studied the link between BclA and a peptidoglycan-modifying enzyme, the DD-carboxypeptidase 1. I was able to show that these two factors act in an independent manner in the establishment of bacteroid differentiation. A functional analysis of BclA and an experimental evolution on Sinorhizobium bacA mutant, an orthologue of bclA, conferred a better understanding of the in vivo role of these transporters. The results obtained during my thesis suggest that the BclA and BacA function is to ensure bacterial resistance to NCRs, as a prerequisite for the bacterial differentiation process, but is not needed for differentiation per se. Furthermore, their NCR uptake activities do not seem to be the mechanism underlying the resistance.

En raison de leur capacité à former une symbiose avec des bactéries du sol appelées Rhizobium, ces bactéries fixent l’azote atmosphérique et leurs plantes-hôtes n’ont donc pas besoin de fertilisant azoté, les légumineuses jouent un rôle important dans l'agriculture. En outre, certaines souches de Rhizobium ont la capacité de solubiliser le phosphate, fournissant ainsi du phosphore assimilable aux plantes hôtes. Une aptitude à lutter contre certains agents pathogènes a aussi été démontrée dans plusieurs études. La présente étude évalue l’efficacité symbiotique de rhizobiums tunisiens, leur capacité à solubiliser le phosphate, et leur aptitude à lutter contre la verticilliose ainsi que d’autres champignons pathogènes chez Medicago truncatula. Trente-six isolats de rhizobiums prélevés sur des nodules racinaires de M. truncatula provenant de différentes régions de Tunisie ont été obtenus pour ce travail. Environ 60% de ces isolats étaient capables de solubiliser le phosphate in vitro. Dans une seconde étape, trois rhizobiums solubilisant le phosphate et un isolat incapable de solubiliser le phosphate in vitro ont été utilisés pour des essais en phytotron afin de voir l’effet de la présence des rhizobiums sur les paramètres de croissance des plantes en présence de phosphate inorganique sous forme de CaHPO4 et rocheux sous forme brute. Les résultats de l’essai montrent que les plantes de la lignée A17 traitées au CaHPO4, ont tendance à produire plus de nodules et de biomasse aérienne que la lignée F83005.5 et que la forme du phosphate utilisé, soluble ou non soluble, affecte les paramètres étudiés. L'inoculation de quatre lignées de M. truncatula avec 16 isolats de rhizobium sélectionnés auparavant a montré une interaction significative entre les isolats et les lignées pour la symbiose visible par la formation de nodules. Tous les isolats de rhizobium testés ont augmenté la biomasse aérienne des plantes, réduit la biomasse racinaire et entraîné une teneur plus élevée en azote mais l’effet dépendait de l’isolat de rhizobium et de la lignée de M. truncatula utilisés. Enfin, ces isolats ont été testés pour leur capacité à protéger des plantes de M. truncatula contre une maladie racinaire, la verticilliose. Des activités antagonistes in vitro contre divers champignons pathogènes dont Verticillium et Fusarium ont également été recherchées permettant d’identifier un isolat efficace pour la lutte biologique. Les résultats de cette étude suggèrent que des isolats de rhizobium sélectionnés pourraient être utilisés comme biofertilisants dans les sols pauvres pour réduire l'utilisation d'engrais chimiques azotés et phosphorés mais pas pour lutter contre la verticilliose. / Because of their ability to form a symbiosis with soil bacteria called Rhizobium, legumes play an important role in agriculture. These bacteria fix atmospheric nitrogen; hence their host plants do not need nitrogen fertilizers. In addition, some strains of Rhizobium have the ability to solubilize phosphate, thus providing phosphorus to host plants. An ability to control certain pathogens has also been demonstrated in several studies. The present study evaluates the symbiotic efficiency of Tunisian rhizobia, their ability to solubilize phosphate, and their ability to control Verticillium wilt and other pathogenic fungi in Medicago truncatula. Thirty-six rhizobial isolates were obtained from root nodules of M. truncatula from different parts of Tunisia were used in this work. About 60% of these isolates were able to solubilize phosphate in vitro. In a second step, three phosphate solubilizing rhizobia and one isolate unable to solubilize phosphate in vitro were used for phytotron assays to see the effect of the presence of rhizobia on plant growth parameters in the presence of soluble and insoluble forms of phosphate. The results of the experiment show that A17 plants treated with CaHPO4, tend to produce more nodules and shoot biomass than F83005.5 and that the phosphate form used, soluble or non-soluble, affects parameters studied. Inoculation of four M. truncatula lines with 16 previously selected rhizobial isolates showed significant interaction between isolates and lines for symbiotic abilities as visualised by nodule formation. All rhizobial isolates tested increased above-ground biomass, reduced root biomass, and increased nitrogen content with strains effects of plant genotype and bacterial isolate. Finallly, these isolates were tested for their ability to protect M. truncatula plants against Verticillium wilt, and to inhibit the growth of pathogenic fungi such as Verticillium and Fusarium in vitro. However, no isolate could be identified as effective for biological control. The results of this study suggest that selected rhizobial isolates could be used as biofertilizers in poor soils to reduce the use of nitrogen and phosphorus fertilizers but not to control Verticillium wilt.

Les associations de cultures céréales légumineuses participent au développement d'agrosystèmes performants et durables. La proportion de chaque espèce dans le couvert ainsi que leur productivité sont cependant fortement dépendantes de l'équilibre entre compétition et complémentarité interspécifique. Le partage de la lumière entre la céréale et la légumineuse est donc déterminant dans le fonctionnement des associations. La structuration physique de la canopée, qui conditionne l'interception du rayonnement lumineux, résulte de la mise en place de l'architecture aérienne des individus composant le peuplement. Afin d'appréhender les relations entre architecture et partage du rayonnement dans les associations blé-pois (Triticum aestivum L.-Pisum sativum L.), un modèle 3D de la morphogénèse aérienne du pois, baptisé L-Pea, a été développé sur la base de l'approche plante virtuelle. Des expérimentations ont été conduites afin i) de caractériser la morphogénèse de génotypes de pois contrastés cultivés sous différentes conditions (serre/champ, pur/associé), et ii) de modéliser l'architecture aérienne du pois. Un simulateur tripartite, intégrant les modèles L-Pea, ADEL-Blé (modèle architecturé de blé) ainsi que CARIBU (modèle de transferts radiatifs), a ensuite été construit afin de créer une association virtuelle. Cette approche de type plante virtuelle s'est révélée pertinente dans l'optique d'étudier le déterminisme architectural du partage de la lumière dans les associations blé-pois. Ce simulateur a par ailleurs montré que des paramètres architecturaux (e.g. ramifications, entrenœuds) peuvent affecter de manière significative et dynamique le partage de la lumière et donc le développement de l'association. Cette thèse se propose i) de démontrer la pertinence de l'approche plante virtuelle pour appréhender le partage du rayonnement dans les associations et ii) de contribuer à la sélection/construction de variétés/idéotypes adaptés aux couverts plurispécifiques.

La productivité et la qualité des céréales biologiques sont soumises à deux principaux facteurs limitants dans les systèmes sans élevage : des déficits chroniques en azote (N) du sol et des infestations par les adventices. Des légumineuses telles que les trèfles ou les luzernes peuvent servir à la fois de plantes de couverture et d'engrais verts grâce à leur fixation symbiotique d'N atmosphérique. Cependant, leur substitution aux céréales présente un moindre intérêt économique dans les systèmes de grandes cultures en l'absence d'animaux pour les valoriser. L'association relais de couverts de légumineuses dans un blé d'hiver nous a semblé être une option intéressante pour à la fois enrichir le système sol-plante en N, couvrir le sol dès la récolte du blé associé et limiter le risque de compétition avec le blé en décalant au printemps la date de semis des légumineuses sous couvert de blé. Pour évaluer l'efficacité de ces associations, quatre espèces de légumineuses (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. et T. repens L.) ont été semées au tallage du blé d'hiver sur huit parcelles réparties dans la région Rhône-Alpes. Leurs effets sur la maîtrise des adventices, l'enrichissement, la préservation et la restitution d'N au système sol-plante et les performances des cultures ont été observés, durant une succession blé d'hiver-culture de printemps. Les résidus des couverts ont été enfouis à la fin de l'hiver, 9 à 12 semaines avant le semis d'une culture de printemps. Nos travaux ont montré l'absence d'effet des couverts associés sur le rendement en grains du blé d'hiver. Mais des diminutions du taux protéique des grains sont apparues dans un tiers des situations d'association notamment avec M. lupulina et T. pratense, les espèces les plus développées à la récolte du blé. Notre suivi de la disponibilité des ressources trophiques principales (eau, N, lumière) nous a permis d'identifier une compétition pour l'eau et l'N du sol. Nous avons également noté l'efficacité des couverts de légumineuses dans le contrôle de la densité des adventices dès le stade de floraison du blé et de leur biomasse durant l'interculture. Le meilleur contrôle des adventices a été permis par M. lupulina et T. pratense, à la récolte du blé, et T. pratense et T. repens, à la fin de l'automne, associé aux biomasses aériennes observées les plus importantes. Enfin, nous avons observé une forte proportion d'N issu de la fixation symbiotique dans la biomasse aérienne des légumineuses à la fin de l'automne (80 à 94%), représentant un apport d'N exogène au système sol-plante évalué entre 37 et 77 kg N ha-1. Cet enrichissement en N n'a pas entrainé d'aggravation de la lixiviation d'N durant l'hiver. Les couverts de légumineuses n'ont pas non plus diminué la lixiviation comparativement à l'absence de couvert. Après leur destruction, les résidus des couverts ont restitué une partie de l'N accumulé (+28 à +42 kg ha-1 d'N minéral sur les 90 premiers centimètres de sol par rapport au témoin à l'émergence de la culture de printemps, 12 semaines après leur destruction). Cette restitution a permis un enrichissement en N des pailles et grains de la culture de printemps et une augmentation de 30% du rendement lorsqu'il s'agissait de maïs. Finalement nous concluons sur l'intérêt des couverts de légumineuses associés en relais dans un blé d'hiver pour apporter une réponse positive aux problèmes principaux des rotations de grandes cultures biologiques (adventices, déficits d'N et diminutions des performances des cultures). Nous terminons en proposant des voies d'évolution des associations testées, notamment pour limiter les risques de compétition durant l'association. Nous évoquons également les implications scientifiques et pratiques de ce travail pour de futures études sur ce sujet. / Cereal productivity and quality are subject to two main problems in organic stockless systems: chronic soil nitrogen (N) deficiencies and weed infestation. Legume species as clovers or alfalfas can be used as cover crops and green manures due to their natural ability to fix atmospheric N. Nevertheless, their substitution to cereals in crop rotations is less economically viable without animals to use it. Relay intercropping of legume cover crops (RIL) in winter wheat was expected to simultaneously enrich the soil-plant system in N, cover the soil from the wheat harvest onwards and limit the risk of competition with wheat by delaying the undersowing of legumes in spring. To evaluate the efficiency of RIL, four legume species (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. and T. repens L.) were undersown at wheat tillering stage, in eight fields organically managed in the Rhône-Alpes region, France. Their effects on weed control, on N enrichment, preservation and restitution in the soil-plant system and on crop performance were observed during the succession of the winter wheat and a spring crop. RIL residues were incorporated in soil in late winter, 9 to 12 weeks before the sowing of spring crops. Our work illustrated the absence of detrimental effect of RIL on wheat grain yield despite the decrease of the grain protein content in one third of the situations. This decrease was mainly observed with M. lupulina and T. pratense as they were the most developed legume species at wheat harvest. Our monitoring of trophic resources (water, N and light) enlightened the competition for soil water and N during the intercropping period. We also showed the efficiency of RIL in the control of weed density from wheat flowering stage onwards and of weed aerial biomass in late autumn. The best weed control was observed with M. lupulina and T. pratense, at wheat harvest, and with T. pratense and T. repens in late autumn, in relation to the highest aerial biomasses observed with these species. Finally, we noted an important proportion of N derived from atmosphere (Ndfa) in legumes' shoots in late autumn (80 to 94%), representing an input of exogenous N in the soil-plant system ranging from 37 to 77 kg Ndfa ha-1. The N enrichment of the system did not increase mineral N lixiviation during winter. However, legume cover crops did not significantly prevent any lixiviation of mineral N relative to the control without cover crop. After their ploughing in, legumes residues returned a part of the accumulated N (+28 to +42 kg ha-1 of mineral N in the first 90 cm of soil compared to the control at the emergence of the spring crop, 12 weeks after ploughing). This restitution of mineral N allowed a significant N enrichment of straw and grains of the spring crop with all previous legumes cover crop species. With maize as spring crop, the grain yield increased by 30%, on average, compared to the control treatment. We finally conclude on the interest of RIL in winter wheat to bring a positive response to the problems of weed control, N deficiency and crop performances in organic crop rotations. We then suggest possible improvements of the RIL system, especially against the competition for trophic resources during the relay intercropping period. We also mention scientific and practical implications of this work for future studies on this subject.

Les légumineuses permettent de réduire les intrants en élevage (engrais, concentrés) en raison notamment de leurs niveaux élevés en protéines. Cependant, à la fois pendant le processus d'ensilage et celui de fermentation dans le rumen, les protéines peuvent subir une importante dégradation, ce qui affecte la valeur nutritive des fourrages et induit des rejets d'azote (N) importants, notamment dans l'urine. Certaines légumineuses peuvent alors être d'un intérêt particulier car elles produisent des composés secondaires qui peuvent modifier positivement les processus fermentaires et digestifs. Ainsi, les tannins condensés (CT) présents dans le sainfoin (SF, Onobrychis viciifolia) sont capables de se lier aux protéines, réduisant leur dégradation dans le silo et le rumen et se traduisant par un transfert de l'excrétion d'azote de l'urine vers les fèces. Le trèfle violet (RC, Trifolium pratense) contient la polyphénoloxydase (PPO), une enzyme qui catalyse l'oxydation de différents composés phénoliques en quinones. Comme les CTs, les quinones sont capables de former des complexes avec les protéines permettant de réduire leur dégradation dans le silo et le rumen. L'objectif de cette thèse était alors d'étudier et de quantifier les bénéfices potentiels de l'utilisation de ces deux espèces de légumineuses bioactives sur i) la qualité et la conservation des ensilages, ii) la fermentation ruminale, l'efficacité digestive et les performances des ovins, et iii) l'empreinte environnementale (excrétion d'N et de CH4). Nous avons effectué deux essais in vitro et deux essais in vivo, basés sur des ensilages composés de ces deux légumineuses, seules ou en mélange avec une graminée (la fléole- T, Phleum pratense L.) qui nous a servie de contrôle. Les essais in vitro nous ont permis de nous focaliser sur la qualité et la conservation des ensilages ainsi que sur la fermentation ruminale, tandis que les essais in vivo se sont concentrés sur la performance et l'efficacité digestive des agneaux, ainsi que sur leur bilan azoté et leurs émissions de CH4. L'inclusion de légumineuses bioactives dans les ensilages d'herbe a amélioré la qualité du fourrage, la fermentation pendant le processus d'ensilage ainsi que la protection des protéines contre une dégradation au sein du silo et du rumen. Globalement, l'alimentation des agneaux avec des mélanges comportant ces légumineuses s'est traduite par une augmentation de l'ingestion de matière sèche, en comparaison des agneaux alimentés avec la graminée pure. Néanmoins, en raison de la digestibilité nettement plus faible de T-SF, probablement due à une composition et une nature des fibres différentes ainsi qu'à la présence de CT, les agneaux ayant reçu T-SF ont montré une ingestion et des performances plus faibles que ceux ayant reçu les ensilages contenant RC. Dans le rumen, il semble que les protéines de RC aient été plus protégées de la dégradation que celles de SF, tandis que dans la suite du tractus digestif, les complexes formés entre protéines et CT (avec SF) se seraient moins dissociés que ceux formés entre protéines et quinones (avec RC), ce qui pourrait en partie expliquer le transfert d'excrétion de l'N de l'urine vers les fèces, observé chez les agneaux alimentés avec T-SF et bénéfique pour l'environnement. SF a également permis de réduire légèrement les émissions de CH4. Ainsi, utiliser des légumineuses bioactives dans les pratiques d'alimentation des ruminants apparaît une stratégie prometteuse pour fournir des produits animaux de façon plus durable. Nos résultats montrent que chaque espèce apporte des avantages différents, plutôt orientés vers la qualité de l'aliment et les performances animales pour RC mais plutôt orientés vers la réduction des rejets pour SF. Des recherches complémentaires sont donc nécessaires pour mieux caractériser ces avantages et élargir les investigations à d'autres espèces, d'autres mélanges et d'autres bénéfices potentiels. (...) / Fodder legume species allow to reduce inputs in livestock breeding systems (fertilizer, concentrates) notably because they contain high levels of crude proteins which are of primary importance in ruminant nutrition. However, during both silage and rumen fermentation processes, proteins are submitted to degradation which affects forage nutritive value and leads to nitrogen (N) losses notably via urine. Some specific legumes can then be of particular interest as they produce plant secondary compounds that can positively affect silage and digestive processes. Condensed tannins (CTs) present in sainfoin (SF, Onobrychis viciifolia) are able to bind with proteins thereby reducing their degradation in the silo and the rumen, resulting in a shift in N excretion from urine to faeces. Red clover (RC, Trifolium pratense) contains polyphenol oxidase (PPO), an enzyme that catalyses the oxidation of different phenolics into quinones. As CTs, quinones are able to form complexes with proteins that will similarly reduce their degradation in the silo and the rumen. The aim of this thesis was to investigate and quantify the potential benefits of using these two bioactive legume species on i) quality and conservation of silages, ii) rumen fermentation, digestive efficiency and sheep performance, and iii) environmental footprint (N excretion and CH4 emissions). We conducted two in vitro and two in vivo trials which were based on silages of pure legumes or of different mixtures with the grass species (timothy T, Phleum pratense L.), which served as control. In the in vitro trials, we focussed on silage quality, silage conservation and rumen fermentation, while in the in vivo trials, we focussed on lambs' performance, digestion efficiency, N balance and CH4 emissions. Including bioactive legumes in mixtures with grass improved, compared to pure grass, forage quality and fermentation during the silage making process, as well as proteins' protection from degradation within both the silos and the rumen. Lambs fed with the mixtures involving legumes responded with an increase in DM intake compared to their counterparts fed with T. Nevertheless, due to a possibly different fibre composition and to the presence of CT which impaired SF digestibility, lambs that consumed T-SF showed lower intake and performance than those that received RC-containing silages. In the rumen, RC proteins appeared more protected from degradation than SF ones, while in the subsequent parts of the digestive tract, the proteins-CT complexes (from SF) might less dissociate than the proteins-quinones ones (from RC). This could partly explain the environment-friendly shift in N excretion from urine to faeces when animals are fed with T-SF. SF also allowed to slightly reduce CH4 emissions. Thus, utilizing bioactive legumes in livestock feeding practices is a promising strategy to produce animal products more sustainably. Our results show different benefits relative to the bioactive legume species involved, directed towards boosted forage quality and animals' performance for RC but towards lowered wastes for SF. Further research is thus needed to better characterize these benefits and enlarging investigations to other plant species, mixtures and potential benefits (e.g. health). This will help to determine the appropriate choice of plant species according to the objectives.

Les prairies indigènes présentent une source importante d'alimentation pour le pâturage du bétail dans les prairies Canadiennes semi-arides. L'addition de légumineuses fixatrices d'azote et de phosphore dans les prairies indigènes peut améliorer la productivité et la valeur nutritive de fourrage. Ces pratiques peuvent induire des modifications de la structure et de la diversité des communautés fongiques du sol, ce qui peut en retour avoir un impact sur la production et le contenu nutritionnel du fourrage. L’objectif de cette étude était de développer un système de pâturage à bas niveau d’intrants, productif, autonome et durable. À court terme, nous voulions 1) déterminer l'effet des légumineuses (Medicago sativa, une légumineuse cultivée ou Dalea purpurea, une légumineuse indigène) et la fertilité en phosphore du sol sur la productivité et la valeur nutritive des graminées indigènes, comparées avec celles de la graminée introduite Bromus biebersteinii en mélange avec le M. sativa, 2) identifier l'effet de ces pratiques sur la diversité et la structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) et des champignons totaux, 3) identifier l'effet des légumineuses et des CMA sur les interactions compétitives entre les graminées de saison fraîche et les graminées de saison chaude. Les expériences menées au champ ont montré que M. sativa améliorait les teneurs en azote et en phosphore des graminées indigènes au début de l'été, ainsi que la teneur en azote de la graminée de saison chaude Bouteloua gracilis à la fin de l'été de l'année sèche 2009. Par contre, la fertilité en phosphore du sol n'ait pas affecté la productivité des plantes. D'autre part, l'inclusion des légumineuses augmentait la diversité des CMA dans le mélange de graminées indigènes. Cette modification présentait des corrélations positives avec la productivité et la quantité totale d'azote chez le M. sativa et avec la teneur en phosphore des graminées indigènes, au début de l'été. La structure des communautés de champignons totaux était influencée par l'interaction entre le mélange des espèces et la fertilité en phosphore du sol seulement en 2008 (année humide). Cet effet pourrait être lié en partie avec la productivité des plantes et l'humidité du sol. Les expériences menées en chambre de culture ont montré que les CMA peuvent favoriser la productivité des graminées de saison chaude au détriment des graminées de saison fraîche. En effet, Glomus cubense augmentait la productivité de la graminée de saison chaude B. gracilis, en présence de M. sativa. Cet effet pourrait être associé à l’effet négatif du G. cubense sur la fixation de l’azote par le M. sativa et à la diminution de l’efficacité d’utilisation de l'azote de certaines graminées de saison fraîche résultant en une augmentation de la disponibilité de l'azote pour B. gracilis. Par contre, le Glomus sp. augmentait la biomasse de Schizachyrium scoparium, autre graminée de saison chaude, en absence de légumineuse. Ce phénomène pourrait être attribuable à une amélioration de l’efficacité d’utilisation du P de cette graminée. En conclusion, mes travaux de recherche ont montré que la légumineuse cultivée M. sativa peut améliorer la valeur nutritive des graminées indigènes au début de l'été ainsi que celle de la graminée de saison chaude B. gracilis, dans des conditions de sécheresse sévère de la fin de l'été. De plus, l'addition de M. sativa dans le mélange de graminées indigènes peut contribuer à augmenter le nombre des espèces bénéfiques des CMA pour la production et la nutrition du fourrage au début de l'été. / The native grasslands are considered as the main feed source for livestock grazing, in semi-arid regions of the Canadian prairies. The addition of N fixing legumes and phosphorus to semi-arid native grasslands may increase the productivity and nutritive value of forage. However, these practices may also shape the structure and diversity of soil fungal communities which in turn may impact forage production and nutritive value. The global objective of this research was to design productive, self-sustaining, permanent and with low inputs pastures. The specific objectives were 1) to demonstrate the effect of N-fixing legumes (the cultivated legume Medicago sativa or the native legume Dalea purpurea) and soil P fertility on the productivity and nutritive value of native grasses mixes in comparison to the mixture of the introduced grass Bromus biebersteinii and M. sativa, 2) identify the effect of these practices on the diversity and community structure of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi and total fungi, and 3) identify the effect of legumes and AM fungi on competitive interactions between native cool-season grasses and native warm-season grasses. The field experiment showed that M. sativa improved the nitrogen and phosphorus concentrations of native grasses mixes early in the summer, as well as the N concentration of the warm-season grass B. gracilis, in late summer of the driest year 2009. In contrast, the soil phosphorus fertility had no effect on plant productivity. On the other hand, the inclusion of legumes to the mix of native grasses generally increased AM fungal diversity. This shift was positively correlated with the productivity and nitrogen uptake by M. sativa and with the phosphorus concentration of native grasses mixes in early summer. The structure of the total fungal community was affected by the interaction between species mixtures and soil P fertility only in the wet year (2008), suggesting that this effect was likely driven in part by plant productivity and soil moisture. The growth chamber experiment showed that the AM fungi may favoured the growth of warm-season grasses under competition with cool-season grasses. However, Glomus cubense increased the productivity of warm-season grass B. gracilis when growing with M. sativa. This effect might be related to a negative impact of G. cubense on the nitrogen-fixing activity of M. sativa and to a lower N-use efficiency of certain cool-season grasses, which resulted in increased soil N availability for B. gracilis. In contrast, Glomus sp. enhanced the growth of S. scoparium, another warm-season grass in the absence of legumes, and this may be related to improved P-use efficiency in this grass. We concluded that the cultivated legume M. sativa can improve the nutritive value of native grasses mixes early in the summer and also of warm season grass under severe drought conditions in late summer. In addition, the inclusion of M. sativa within native grass mixes may contribute to promote beneficial AM fungi taxa that were involved in forage production and nutrition early in the summer.

Les associations de cultures céréales-légumineuses participent au développement d'agrosystèmes performants et durables. La proportion de chaque espèce dans le couvert ainsi que leur productivité sont cependant fortement dépendantes de l'équilibre entre compétition et complémentarité interspécifique. Le partage de la lumière entre la céréale et la légumineuse est donc déterminant dans le fonctionnement des associations. La structuration physique de la canopée, qui conditionne l'interception du rayonnement lumineux, résulte de la mise en place de l'architecture aérienne des individus composant le peuplement. Afin d'appréhender les relations entre architecture et partage du rayonnement dans les associations blé-pois (Triticum aestivum L.-Pisum sativum L.), un modèle 3D de la morphogénèse aérienne du pois, baptisé L-Pea, a été développé sur la base de l'approche plante virtuelle. Des expérimentations ont été conduites afin i) de caractériser la morphogénèse de génotypes de pois contrastés cultivés sous différentes conditions (serre/champ, pur/associé), et ii) de modéliser l'architecture aérienne du pois. Un simulateur tripartite, intégrant les modèles L-Pea, ADEL-Blé (modèle architecturé de blé) ainsi que CARIBU (modèle de transferts radiatifs), a ensuite été construit afin de créer une association virtuelle. Cette approche de type plante virtuelle s'est révélée pertinente dans l'optique d'étudier le déterminisme architectural du partage de la lumière dans les associations blé-pois. Ce simulateur a par ailleurs montré que des paramètres architecturaux (e.g. ramifications, entrenoeuds) peuvent affecter de manière significative et dynamique le partage de la lumière et donc le développement de l'association. Cette thèse se propose i) de démontrer la pertinence de l'approche plante virtuelle pour appréhender le partage du rayonnement dans les associations et ii) de contribuer à la sélection/construction de variétés/idéotypes adaptés aux couverts plurispécifiques.

L’association symbiotique entre les légumineuses et les rhizobia aboutit à la formation de la nodosité fixatrice d’azote. Cet organe symbiotique généré de-novo permet l’hébergement intracellulaire des rhizobia qui, grâce à leurs activités nitrogénase,réduisent l’azote atmosphérique en ammonium, une forme de l’azote directement assimilable par la plante hôte.Les mécanismes moléculaires sous-jacents à la reconnaissance entre les deux partenaires symbiotiques, au processus d’infection et à l’organogénèse de la nodosité sont bien décrits, cependantl’établissement et la maintenance de l’identité de cet unique organe souterrain restent incompris.Les gènes NODULE-ROOT de Medicago truncatula, BLADEON-PETIOLE d’Arabidopsis thaliana et COCHLEATA de Pisumsativum sont membres du clade spécifique très conservé NOOTBOP-COCH-LIKE1 (NBCL1) qui fait partie de la famille des gènesNON-EXPRESSOR OF PATHOGENESIS RELATED PROTEIN1-LIKE. Chez les légumineuses, les membres de ce clade NBCL1 sont connus comme étant des régulateurs clés de l’identité de l’organe symbiotique.Mon travail de thèse a eu pour but d’améliorer la compréhension des rôles des gènes NBCL1, à la fois chez des espèces formant des nodosités indéterminées et déterminées, ainsi que de découvrir de nouveaux acteurs moléculaires impliqués dans l’identité de la nodosité dont la régulation est dépendante des gènesNBCL1, essentiellement par l’utilisation de mutants TILLING, Tnt1et LORE1 originaux chez trois espèces de légumineuses: la luzerne tronquée, le petit pois et le lotier.Ce travail rapporte essentiellement l’identification et la caractérisation de nouveaux mutants affectés dans des gènes qui font partie d’un second sous-clade NBCL2 spécifique des légumineuses.Nous avons révélé que les membres de ce sous-clade spécifique des légumineuses NBCL2 jouent d’importants rôles dans le développement de la nodosité, dans l’établissement et la maintenance de l’identité de la nodosité et par conséquence dans le succès et l’efficacité de l’association symbiotique.Ce travail suggère aussi qu’au cours de l’évolution, le programme de développement de la nodosité a recruté des mécanismes de régulations préexistants afin de réguler le développement de la nodosité et son identité, tel que le module de régulation impliquant des interactions entre des protéines NBCL et des facteurs de transcriptions basic leucine zipper de type TGACG. Nous avons identifié le facteur de transcription MtPERIANTHIA-LIKE, comme un premier partenaire protéique interagissant avec des protéines NBLC dans un contexte de nodosité symbiotique. Les gènes NBCL sont aussi impliqués dans les réseaux de régulations qui contrôlent le développement et le déterminisme de nombreux organes végétatifs et reproductifs aériens et sont également impliqués dans la capacité d’abscission de ces organes.Finalement, ce travail thèse a eu pour objectif d’explorer les rôles de ces gènes NBCL très conservés, dans le développement de la graminée non-domestiquée, Brachypodium distachyon. / The symbiotic interaction between legumes andrhizobia results in the formation of a symbiotic nitrogen fixingnodule.This de-novo generated symbiotic organ allows the intracellularaccommodation of the rhizobia which reduces through theirnitrogenase activity the atmospheric nitrogen in ammonium, anitrogen form usable by the host plant.The molecular mechanisms underlying the symbiotic partnersrecognition, the infection process and the nodule organogenesis arewell described, however the identity establishment and maintenanceof this unique underground organ remain mis-understood.The Medicago truncatula NODULE-ROOT, the Arabidopsisthaliana BLADE-ON-PETIOLE and the Pisum sativumCOCHLEATA genes are members of a highly conserved NOOTBOP-COCH-LIKE1 (NBCL1) specific clade that belongs to theNON-EXPRESSOR OF PATHOGENESIS RELATED PROTEIN1-LIKE gene family. In legumes, the members of this NBCL1 cladeare known as key regulators of the symbiotic nodule identity.The present thesis work aims to better understand the roles of theNBCL1 genes, in both indeterminate and determinate nodule formingspecies and to discover new molecular actors involved in theNBCL1-dependent regulation of the nodule identity essentially usingnovel TILLING, Tnt1 and LORE1 insertional mutants in three legumespecies, Medicago, Pisum and Lotus.This thesis work has allowed the identification and thecharacterization of new mutants for genes belonging to a secondarylegume-specific NBCL2 sub-clade. We revealed that the members ofthis legume-specific NBCL2 sub-clade play important roles in noduledevelopment, identity establishment and maintenance, andconsequently in the success and in the efficiency of the symbioticassociation.This thesis work also shows that during evolution, the noduledevelopmental program has recruited pre-existing regulatorymechanisms for the nodule development and identity, such as theregulatory module involving interactions between NBCL proteins andTGACG type basic leucine zipper transcription factors. We identifiedthe transcription factor, MtPERIANTHIA-LIKE, as a first interactingpartner of NBCL proteins in a context of root nodule symbiosis.NBCL genes are also involved in the regulatory networks thatcontrol the development and the determinacy of many abovegroundvegetative and reproductive organs and were also shown as involvedin their abscission ability.In this thesis we also explored the roles of these highly conservedNBCL genes in the development of the non-domesticated grass,Brachypodium distachyon.