Thèse Décryptage des Interactions Azote-Phosphore et de l'Impact de la Co-Culture avec le Pois d'Angole sur la Productivité et la Résilience du Blé Noir H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Biosphera - Biologie, Société, Ecologie & Environnement, Ressources, Agriculture & Alimentation
École doctorale : Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
Laboratoire de recherche : IJPB - Institut Jean-Pierre Bourgin-Sciences du Végétal
Direction de la thèse : Anne KRAPP ORCID 0000000320345615
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-22T23:59:59

Les blés pigmentés, particulièrement le blé noir (Triticum aestivum), suscitent un regain d'intérêt pour leurs grains riches en anthocyanines offrant des bénéfices nutritionnels et antioxydants. Cependant, des limitations agronomiques persistent, notamment des rendements réduits par rapport aux variétés conventionnelles, liés à une réduction du nombre d'épis et de la masse des grains. Les carences en azote (N) et en phosphore (P), connues pour stimuler l'accumulation d'anthocyanines, interagissent étroitement pour l'absorption minérale et la signalisation. Le réseau génétique coordonnant la nutrition N-P est bien décrit chez Arabidopsis thaliana mais reste peu connu chez les céréales.
Ce projet de thèse vise à caractériser les interactions N-P chez des cultivars de blé noir, comparés à des blés tendres de référence. Des essais hydroponiques au stade végétatif évalueront la croissance, les teneurs en nutriments, les cinétiques d'absorption (¹N), la photosynthèse (SPAD/LI-COR), l'architecture racinaire et l'expression génique racinaire (RT-qPCR) dans des conditions de gradients N×P. Les effets sur le rendement, les teneurs en anthocyanines/N/P des grains et les efficacités nutritionnelles seront quantifiés lors d'essais en pots ou au champ.
Des analyses RNA-Seq identifieront les gènes des familles de signalisation clés, suivies d'une analyse de réseaux WGCNA révélant les modules co-régulés liant l'homéostasie nutritionnelle, la biosynthèse des anthocyanines et les caractères de rendement.
Un troisième axe évaluera les effets de la co-culture avec le pois d'Angole (Cajanus cajan) sur la dynamique nutritionnelle, les réseaux d'expression et la résilience via une approche multi-omiques (transcriptomique, protéomique, métabolomique). L'association céréales-légumineuses offre des avantages reconnus : fixation biologique d'azote, complémentarité des ressources, amélioration de la fertilité du sol et résilience accrue face aux stress abiotiques comme les limitations N-P.
Positionné au sein d'une collaboration indo-française, le projet promeut une agriculture à faible intrant via associations légumineuse-céréale, réduisant la pollution inhérente à l'utilisation de fertilisants, tout en améliorant la viabilité du blé noir.

Pigmented wheats, particularly anthocyanin-rich black wheat (Triticum aestivum L.), have re-emerged as promising crops in the context of nutritional quality, crop diversification, and climate-resilient agriculture (Sharma et al., 2018). The characteristic dark purple to black kernel coloration results from anthocyanin accumulation in the grain pericarp (Dhua et al., 2021). Although extensive research has highlighted the enhanced antioxidant capacity and nutritional benefits of black wheat, comparatively limited attention has been given to its agronomic performance, physiological adaptability, and molecular regulation under nutrient stress (Garg et al., 2022). Importantly, colored wheat varieties often exhibit yield penalties, largely attributed to reduced spike number and grain weight (Fan et al., 2020; Zhu et al., 2026), raising concerns about their large-scale adoption.

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are the two most critical macronutrients limiting cereal productivity worldwide. Their uptake - primarily as nitrate and phosphate - and subsequent assimilation are tightly coordinated processes. Increasing the availability of one nutrient often fails to improve yield when the other remains limiting, underscoring the importance of N-P interaction. Molecular dissection of this interplay in Arabidopsis thaliana has identified key regulatory components, including PHR1, SPX proteins, PHO2, NIGT1, and NRT1.1, which integrate N and P signaling pathways (Medici et al., 2019; Ohama and Yanagisawa, 2024). Although studies in monocots remain limited, evidence suggests partial conservation of these regulatory networks in rice and wheat (Medici et al., 2019). Notably, N and P limitations are known to stimulate anthocyanin biosynthesis, and recent studies demonstrate enhanced anthocyanin accumulation in colored wheat grains under nutrient stress (Fan et al., 2020; Kaur et al., 2022; Yan et al., 2024). Furthermore, colored wheat appears less sensitive to N and P fluctuations compared to conventional varieties, indicating potential adaptive advantages under low-input conditions in the field.

Intercropping systems offer a sustainable framework to capitalize on such physiological and nutritional traits. Legume-cereal systems are particularly effective in enhancing resource-use efficiency through biological nitrogen fixation, complementary root architecture, and improved soil fertility (Lithourgidis et al., 2011; Brooker et al., 2015). Pigeonpea (Cajanus cajan L.), a major pulse crop, plays a significant role in soil nitrogen enrichment and nutritional security. Integrating pigeonpea with black wheat in a co-cultivation system may therefore synergistically enhance nutrient-use efficiency, stabilize yields, improve soil health, and enrich grain nutritional quality compared to monocropping. Such systems represent a promising pathway toward sustainable intensification and climate-resilient cropping strategies.

The project aims at characterizing the interplay between N and P in black wheat genotypes. A fine physiological and molecular characterization of the plant response to combined N and P growth-limiting conditions will be performed and linked to agronomical traits of the cultivars. The N-P co-regulatory networks will be characterized by a transcriptomics approach. A modification of the responses to N and/or P limitation by the co-cultivation with pigeonpea will subsequently be tested using an integrated physiological and multi-omics approach. Altogether, the analyses will provide mechanistic insights into N-P interaction networks in black wheat and determine whether legume co-cultivation enhances nutrient-use efficiency and stress resilience. The findings will contribute to sustainable nutrient management strategies and support the development of resilient, nutritionally enriched wheat-based cropping systems.