Déterminants génétiques et moléculaires des interactions biotiques des légumineuses à graines dans un contexte agroécologique

1- Contexte

Les changements climatiques intensifient les événements extrêmes (Handmer et al. 2012) et entrainent une déstabilisation importante des interactions biotiques (Rivero et al. 2022). Ces changements menacent la production agricole européenne (Beillouin et al. 2021, Ray et al. 2019). L’agroécologie offre une alternative aux cultures intensives où la gestion intégrée, notamment grâce aux interactions biotiques (plante compagne, pollinisateurs, microorganismes, ravageurs, etc.), permet d’augmenter ou de stabiliser les rendements et de minimiser l’impact de l’agriculture sur l’environnement. Pour cela, une compréhension approfondie des interactions biotiques et de leur influence sur le potentiel d’adaptation des grandes cultures face aux changements climatiques et à l’érosion de la biodiversité est indispensable. Les légumineuses à graines (pois, féverole, soja, lentilles, etc.), dont les graines sont riches en protéines, suscitent un intérêt croissant pour l’alimentation humaine et constituent d’excellents modèles pour améliorer nos connaissances sur ce sujet (Semba et al. 2021).

L’optimisation des interactions biotiques chez les légumineuses à graines permettrait, par exemple, d’augmenter la stabilité des rendements, d’augmenter la biodiversité, de réduire les intrants chimiques, et d’améliorer les services écosystémiques dans les agrosystèmes. Par exemple, les cultures en association augmentent le rendement en graines (Yu et al. 2016, Kopp et al. 2023), renforcent la résilience des cultures (Barot et al. 2017), réduisent les maladies et les ravageurs (Finckh et al. 2000, Zhang et al. 2019, Beillouin et al. 2021, Huss et al. 2022), etc. De leur côté, les pollinisateurs sont essentiels pour de nombreuses espèces cultivées (Klein et al. 2007), notamment certaines légumineuses comme la fèverole (Suso et Moreno 1999, Palmer et al. 2009). Cependant, ces interactions avec des plantes compagnes ou avec les communautés de pollinisateurs restent encore trop peu étudiées, et nos connaissances sur les déterminants génétiques et moléculaires sous-jacents sont limitées. Comprendre ces mécanismes permettra non seulement d'optimiser les interactions biotiques dans les programmes de sélection, mais aussi d'évaluer leur rôle dans la résilience des légumineuses face aux défis environnementaux. C’est dans ce contexte que s’inscrit le projet de thèse « Déterminants génétiques et moléculaires des interactions biotiques des légumineuses à graines dans un contexte agroécologique » proposé à l’école doctorale Environnement-Santé.

2 - Objectifs et originalité du projet

Le projet a pour objectif d’améliorer nos connaissances des interactions des légumineuses à graines avec leur environnement biotique (plante, pollinisateurs) au niveau moléculaire et génétique en contexte agroécologique. Les recherches de cette thèse s’articuleront autour de trois grands axes principaux : (A) compréhension des signaux moléculaires impliqués dans les interactions légumineuses – plantes compagnes en cultures associées, (B) identification des déterminants génétiques impliqués dans les interactions légumineuses -- communautés de pollinisateurs, et (C) descriptions des mécanismes moléculaires impliqués dans les interactions tripartites : légumineuses -- plantes compagnes -- communautés de pollinisateurs.

L’originalité de ce projet réside dans son approche intégrée permettant d’explorer les interactions biotiques complexes en agroécologie. Combinant la compréhension fine de ces interactions biotiques avec des analyses moléculaires et génétiques, ce projet offrira des perspectives intéressantes pour l’élaboration de nouvelles stratégies de sélection plus durable, maximisant la productivité tout en préservant la biodiversité et la santé des sols.

3 - Stratégie scientifique

En agroécologie, comprendre finement les interactions biotiques permet d’identifier des leviers pour réguler les maladies, ravageurs et adventices, accroître la biodiversité des écosystèmes, renforcer la résilience des cultures face aux perturbations, et optimiser les services écosystémiques. Le projet de thèse proposé permettra d’améliorer ces connaissances au niveau des mécanismes moléculaires (métabolites primaires et secondaires) et génétiques de ces interactions. Il est articulé autour de trois axes complémentaires.

A - Mécanismes moléculaires impliqués dans les interactions légumineuses – plantes compagnes en cultures associées. L’objectif de cette section est d’améliorer nos connaissances sur l’impact de différentes espèces compagnes sur les métabolites primaires et secondaires (occurrence et diversité des composés) du pois et de la féverole. Dans cet axe de recherche, différentes variétés de pois et de féverole ont été semées à l’automne 2024 en culture pure ou en association avec des légumineuses (lupin, pois, féverole), des céréales (blé, triticale) ou de la moutarde à l’unité expérimentale d’Epoisses (U2E). Au printemps 2025, la caractérisation phénotypique, phénologique et écologique (services écosystémiques) est prévue, ainsi que l’échantillonnage de feuilles pour des analyses métaboliques avec nos collaborateurs de l’université de Bielefeld (Allemagne). Le/la doctorant(e) analysera la variation de l’occurrence et de la diversité des composés métaboliques dans les différentes modalités de culture. La recherche de cet axe A est financée par le projet BIOTOMIC obtenu en 2024 (voir section « Financement du projet ») et s’intègre dans un projet national plus large : SPECIFICS (PPR Cultiver et protéger, France 2030).

B- Déterminants génétiques impliqués dans les interactions des féveroles avec les communautés naturelles de pollinisateurs. L'objectif de cet axe B est d'identifier les déterminants génétiques impliqués dans des mécanismes d'attractivité de la féverole pour les pollinisateurs, ainsi que dans les traits floraux impliqués dans les interactions plante-pollinisateurs (ex. composés volatiles, morphologie florale, phénologie, etc.) en culture pure. Deux cents génotypes de féverole (Vicia faba) seront plantés en champ sur l’U2E au printemps 2026. Après phénotypage des 200 génotypes, des analyses de Genome-Wide Association seront menées par le/la doctorant(e). L’étudiant(e) sera en charge des expérimentations et de l’analyse de données. La recherche de cet axe B est financée par un projet européen AGRI4POL (voir section « Financement du projet »).

C- Exploration des mécanismes moléculaires impliqués dans les interactions tripartites : légumineuses – plantes compagnes – pollinisateurs. Cet axe vise à approfondir nos connaissances des interactions biotiques complexes, notamment celles impliquant plusieurs partenaires. Il s’appuie sur la même expérience que l’axe A, où des pois et des féveroles sont cultivés en culture pure ou en association avec diverses plantes compagnes. Lors du printemps 2025, les communautés de pollinisateurs visitant les féveroles seront caractérisées pour les grandes catégories de pollinisateurs (bourdons, abeille à miel, syrphes, petites abeilles, etc.). Des échantillons de fleurs seront prélevés et la caractérisation des métabolites primaires et secondaires sera réalisée par nos collaborateurs de l’université de Bielefeld (Allemagne). A l’arrivée du/de la doctorant(e), les différentes données seront disponibles, et il/elle sera en charge des différentes analyses. La recherche de cet axe C est financée par le projet BIOTOMIC (voir section « Financement du projet »).

4- Calendrier

5- Expertise et collaborations

Le/la doctorant(e) bénéficiera de l'expertise en génétique et génomique écologique de ses encadrantes et de l'équipe d'accueil ECP, ainsi que de leur expérience dans l'étude des légumineuses à graines et des expérimentations en champ. Il ou elle collaborera étroitement avec les membres de son équipe de rattachement, l’équipe ECP de l’UMR Agroécologie, et de l'U2E pour les expérimentations. De plus, l'étudiant(e) profitera de l'expertise en métabolomique des collaborateurs de l'université de Bielefeld (Allemagne) et des compétences locales de certains membres de l'unité Agroécologie d'accueil. Grâce aux projets de recherche associés, il ou elle collaborera avec des équipes locales et s'intégrera dans des réseaux nationaux (UMR LIPME, Réseau PlantCom, Toulouse) et internationaux (Allemagne et réseau du projet AGRI4POL, Wageningen, Univ. Ghent).

Université de Bourgogne Europe - DIJON

Laboratoire d'accueil : AGROECOLOGIE

Connaissances et compétences requises Formation recommandée : Master 2 en biologie végétale, agroécologie, génomique ou biochimie. Connaissances souhaitées : biologie végétale, statistiques dont la maitrise de R ou Python, des connaissances en biochimie ou génomique seraient un atout mais ne sont pas indispensables. Aptitudes recherchées : Compétences opérationnelles : maîtrise de R Langues : Anglais (bon niveau) et, si possible, Français (courant) Bon relationnel, intérêt pour le travail collaboratif