Characterization of genotypic variability in response to phosphorus (P) availability in lettuce : study of growth and aerial functioning traits, root architecture and P use efficiency

La faible biodisponibilité du phosphore (P) dans les sols, son impact négatif sur l’environnement et les incertitudes concernant la durabilité des approvisionnements en engrais phosphatés ont mis en évidence la nécessité de cultiver des plantes efficientes en utilisation duP. Ce travail vise à caractériser la variabilité génotypique des traits de fonctionnement et de croissance aérien et racinaire en réponse à la disponibilité en P chez la laitue, à étudier la variabilité génotypique de l’efficience vis à vis du P (PUE) et d’identifier les traits associés à cette efficience, ainsi qu’à évaluer la capacité d’un modèle d’architecture racinaire à rendre compte de la variabilité génotypique et de la disponibilité en P. Une première expérimentation en tunnel portant sur 14 génotypes sauvages et cultivés du genre a été destinée à l’étude du système racinaire et de la croissance aérienne de jeunes plantes dans des conditions limitantes et non limitantes en P. Une deuxième expérimentation s’est consacrée à l’analyse dynamique de la croissance aérienne sur un panel de 50 génotypes cultivés avec trois niveaux de P. En conséquence des dispositifs expérimentaux mis en place, l’intensité du stress en P a été plus importante en tunnel qu’en serre, avec une diminution forte de la masse des feuilles, et une diminution variable selon les génotypes de la masse des racines. L’essai en serre a permis de confirmer la variabilité génotypique, de caractériser des différences de dynamique de croissance entre espèces sauvages et cultivées, et d’illustrer les mécanismes de dilution du P au cours de la croissance. Les traits de l’architecture racinaire ont été mesurés dans la première expérimentation, et ont montré des effets du génotype et de traitement P, en général sans interaction. La limitation en P a provoqué une réduction du diamètre maximal du pivot, une augmentation de la dominance du pivot vis-à-vis de ses racines latérales et une augmentation de la distance inter-ramification, traduisant globalement davantage une pénalisation des racineslatérales au bénéfice du maintien du pivot. Cependant les racines latérales, pour un diamètre donné, se sont davantage allongés à faible P. Ces résultats illustrent une certaine spécificité de la réponse à une limitation en P chez , par rapport à d’autres genres botaniques où l’on constate davantage une prolifération des racines latérales. Les traits racinaires mesurés ont également servi à paramétrer le modèle d’architecture racinaire « ArchiSimple ». Sur la base de comparaisons entre les masses simulées et prédites, le modèle a pu rendre compte d’une partie de la variabilité génotypique existante et de la disponibilité en P pour prédire la masse racinaire, cependant l’erreur de prédiction est apparue assez importante chez certains génotypes.La PUE, définie comme la quantité de biomasse produite par unité de P appliqué, a étédécomposée par le produit d’une efficience d’acquisition (PUpE) par une efficience d’utilisation (PUtE). La PUpE est apparue comme le déterminant principal de la PUE. Le classement par ordre d’efficience des 14 génotypes communs aux deux essais est apparu cohérent en serre et en tunnel. La PUE a été fortement déterminée par la masse du système racinaire, elle-même associée au diamètre du pivot et à sa profondeur. C’est en conséquence sur les génotypes sauvages ayant une masse de racines importantes que les efficiences les plus élevées ont été observées. Lors d’une limitation en P, l’augmentation de l’efficience a été maximisée chez les génotypes ayant les plus augmenté la fraction racinaire dans la masse totale, et ceux qui ont maintenu un diamètre du pivot élevé, ce qui confirme l’importance de ce dernier dans l’acquisition des ressources minérales. Les différences significatives d’efficience entre les génotypes permettent de conclure sur l’intérêt de l’utilisation de génotypes efficients pour limiter l’usage de la ressource non renouvelable qu’est le P.The low phosphorus (P) bioavailability in soils, its negative impact on the environment and concerns regarding the sustainability of phosphate fertilizer supplies have emphasized the need to cultivate plants that use P efficiently. This work aims to characterize the genotypic variability of functional, aerial and root growth traits in response to P availability in lettuce, to study the genotypic variability of P efficiency (PUE) and to identify the associated traits, as well as to evaluate the ability of a root architecture model based on a low number of parameters to consider the genotypic variability and the P availability. A first experiment conducted under plastic tunnel on 14 wild and cultivated genotypes of the Lactuca genus was designed to study the root system and aerial growth of young plants under P-limiting and non-limiting conditions. A second experiment under greenhouse was devoted to analyze the dynamic of aerial growth on a larger panel of 50 genotypes cultivated with three different P levels. As a consequence of the experimental set-up, the intensity of P stress was higher in the tunnel than in the greenhouse, with a sharp reduction in leaf mass and a variable decrease in root mass depending on the genotype. The greenhouse trial confirmed the genotypic variability, characterized differences in growth dynamics between wild and cultivated species, and illustrated the mechanisms of P dilution during growth. The main traits allowing a synthetic description of root architecture were measured in the first experiment, and varied significantly depending on genotype and P treatment, generally without interaction. P deficiency reduced the maximum diameter of the pivot, increased the dominance of the pivot over its laterals roots and increased the inter-branch distance, reflecting overall a penalization of the lateral roots in favor of the maintenance of the pivot. However, the lateral roots, for a given diameter, were more elongated at low P availability. These results illustrate a certain specificity of the response to P limitation in Lactuca, compared to other botanical genera where a proliferation of lateral roots is observed. The root traits measured in this study were used to parameterize the root architecture model « ArchiSimple ». Based on comparisons between simulated and predicted masses, the model was able to take into account some of the existing genotypic variability and P availability in predicting root mass, however the prediction error appeared quite important in some genotypes. PUE, defined as the amount of biomass produced per unit of P applied, was decomposed by the product of an acquisition efficiency (PUpE) by a utilization efficiency (PUtE). PUpE was the primary determinant of PUE, particularly when P was non-limiting. The order of efficiency of the 14 genotypes common to both trials appeared consistent in the greenhouse and in the tunnel. PUE was strongly determined by the mass of the root system, which was associated with the diameter of the pivot and its depth. As a result, the highest efficiencies were observed on wild genotypes with large root mass. Under P limitation, the increase in efficiency was maximized in genotypes that were able to increase the root fraction in the total mass (allowing an increase in PUtE), and those that maintained a large maximum pivot diameter, which confirms its important role in the acquisition of mineral resources. The significant differences in efficiency between genotypes, consistent under the different conditions studied, allow us to conclude that it is important to use efficient genotypes to limit the use of the phosphorus as a non-renewable resource