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Prediction of black poplar biofuel production: disentangling omnigenics with transcriptomics. Detecting the Genomic Signal of Polygenic Adaptation and the Role of Epistasis in Evolution

Mise au point et validation d'un procédé miniaturisé pour le criblage à haut débit du potentiel de saccharification de biomasses lignocellulosiques : Application sur des clones de peupliers.. 11es Journées du Réseau Français des Parois

Context Current production from natural forests will not satisfy future world demand for timber and fuel wood, and new land management options are required. Aims We explore an innovative production system that combines the production of short rotation coppice in wide alleys with the production of high-value trees on narrow strips of land; it is an alternative form of alley cropping which we propose to call ‘alley coppice’. The aim is to describe this alley coppice system and to illustrate its potential for producing two diverse products, namely high-value timber and energy wood on the same land unit. Methods Based on a comprehensive literature review, we compare the advantages and disadvantages of the alley coppice system and contrast the features with well-known existing or past systems of biomass and wood production. Results We describe and discuss the basic aspects of alley coppice, its design and dynamics, the processes of competition and facilitation, issues of ecology, and areas that are open for future research. Conclusion Based on existing knowledge, a solid foundation for the implementation of alley coppice on suitable land is presented, and the high potential of this system could be shown.

Short‐rotation coppice (SRC) has great potential for supplying biomass‐based heat and energy, but little is known about SRC's ecological footprint, particularly its impact on the water cycle. To this end, we quantified the water use of a commercial scale poplar (Populus) SRC plantation in East Flanders (Belgium) at tree and stand level, focusing primarily on the transpiration component. First, we used the AquaCrop model and eddy covariance flux data to analyse the different components of the stand‐level water balance for one entire growing season. Transpiration represented 59% of evapotranspiration (ET) at stand scale over the whole year. Measured ET and modelled ET were lower as compared to the ET of reference grassland, suggesting that the SRC only used a limited amount of water. Secondly, we compared leaf area scaled and sapwood area scaled sap flow (F s) measurements on individual plants vs. stand scale eddy covariance flux data during a 39‐day intensive field campaign in late summer 2011. Daily stem diameter variation (∆D) was monitored simultaneously with F s to understand water use strategies for three poplar genotypes. Canopy transpiration based on sapwood area or leaf area scaling was 43.5 and 50.3 mm, respectively, and accounted for 74%, respectively, 86%, of total ecosystem ET measured during the intensive field campaign. Besides differences in growth, the significant intergenotypic differences in daily ∆D (due to stem shrinkage and swelling) suggested different water use strategies among the three genotypes which were confirmed by the sap flow measurements. Future studies on the prediction of SRC water use, or efforts to enhance the biomass yield of SRC genotypes, should consider intergenotypic differences in transpiration water losses at tree level as well as the SRC water balance at stand level.

Les bioénergies répondent aux trois enjeux de transition énergétique, de développement et d’indépendance. Elles permettent de contribuer au système énergétique par trois vecteurs, la chaleur, le combustible gazeux ou liquide et l’électricité. Tout système durable de bioénergies doit appréhender d’abord des interrogations de disponibilité des biomasses forestières, agricoles et de déchets. Les verrous technologiques s’inscrivent dans les deux voies technologiques majeures : la thermochimie et les biotechnologies. La durabilité a longtemps été un sujet de controverses, maintenant apaisé par les règlements mis en place., The LORVER project (www.lorver.org) aims at developing a chain to produce biomass for industrial purposes, by reusing degraded sites (e.g. brownfield soils) and abandoned materials (e.g. urban or industrial by-products). In the context of circular economy, these abandoned sites and materials must not be viewed as a drawback but as new resources. This project brings together a consortium composed of companies and laboratories having the required expertise to construct this chain, allowing the environmental and economic upgrading of abandoned sites and materials while respecting the principles of sustainable development. After having identified the resource of available sites and byproducts, the approach consists of 1) construct Technosols from by-products, to reach the agronomic properties required for cultivation, 2) implement cultivations (short rotation coppices, hemp, nettle, hyperaccumulator plants), 3) develop processes to produce energy, biochar, fibres, metal-based M.O. compounds, and 4) assess the environmental and economic impacts of the chain. This project, conducted in the Lorraine region (France), will demonstrate the pertinence of the approach.

L’utilisation des ressources lignocellulosiques comme source d’énergie renouvelable devra concilier rendement important, faible empreinte environnementale et composition adaptée à l’utilisation énergétique (combustion, méthanisation, carburants « deuxième génération »). Cet article présente une revue des performances de plusieurs cultures agricoles et forestières pour la production durable de biomasse. Au niveau agronomique, différentes cultures sont comparées pour la production de biomasse, l’exportation d’azote et le ratio azote/carbone, mais aussi pour les réductions de gaz à effet de serre engendrées et le « coût » que cela représente. Enfin, la production d’éthanol par hectare est illustrée et des perspectives d’amélioration génétique pour la bioénergie sont évoquées. Au niveau forestier, la production de biomasse nécessite des plantations à fortes densité, telles que les cultures de taillis à courte rotation (TCR) ou à très coute rotation (TTCR) et la futaie à courte révolution (FCR). La génétique offre d’importantes marges de progrès pour l’optimisation des rendements en TCR. Concernant les FCR, les scénarios dits « semi-dédiés biomasse » sont les plus prometteurs. Ainsi, les graminées C4 pérennes (miscanthus, switchgrass) et les cultures forestières en TCR ou FCR, sont des ressources très complémentaires pour la production durable de biomasse à vocation énergétique et font l’objet, pour plusieurs d’entre elles, d’amélioration génétique à l’INRA., Lignocellulosic feedstocks for renewable energy need to reconcile high yield, a limited environmental footprint and a composition adapted to the industrial procedures for the production of heat and electricity, methane or second-generation transport fuels. This article will review the performance of several dedicated feedstocks for sustainable biomass production. At the agronomic level, feedstocks are compared for their biomass yield, nitrogen export and nitrogen/carbon ratios as well as the reduction of greenhouse gas emissions and corresponding costs. In addition, the productivity of ethanol per ha is illustrated and perspectives for genetic improvement are discussed. Concerning forestry crops, short and very short rotation coppice and “stored coppice” systems are presented including the considerable scope for further genetic improvement and the development of semi-dedicated feedstock strategies. In conclusion, perennial C4 grasses (miscanthus, switchgrass) and trees under a short rotation coppice regime are complementary bioenergy feedstocks and are the object of genetic improvement programs in INRA laboratories.

International audience; Agroforestry and Short Rotation Coppice (SRC), for timber and bioenergy wood production, are recognized as economically viable and sustainable as separate cropping systems under ideal growing conditions. Little is known about agricultural and ecological interactions which might occur combining them in a tree-based intercropping system. This mixed approach, called alley coppice, is currently investigated in an European research Project (www.agrocop.com), and has important advantages: (i) a regular income guaranteed from the SRC component; (ii) light competition between species can often improve the stem form of timber trees; (iii) timber trees can be planted at the final spacing, avoiding expensive thinning; (iv) SRC component protects young timber trees from wind/storm damage; (v) alley coppice is expected to have positive impacts on biodiversity, and reducing soil erosion. Three system designs are currently investigated: Simultaneous planting (SP); Lagged planting (LP) and Border planting (BP). In SP, timber and SRC components are planted in the same year; the key investigated factor is the distance between timber trees and the first SRC row, comparing 1, 2, 3 m in plantations in Ireland, Germany and Italy. A tree row width of three meters guaranteed satisfying growth rates of Sorbus and Pyrus timber trees in a mixture with 2-yr SRC poplar (Populus spp) in Italy, improving timber wood quality. LP, with planting SRC under adult timber trees, is studied in France and Ireland, according to timber tree age, species and inter-row spacings. In France, light and water competition had significant effects on poplar SRC growth and yield according to the distance from the walnut trees. BP involves planting timber trees along the borders of SRC blocks. Experimental plantations were established in Ireland and Germany, with the aim of avoiding asymmetric light competition that might hamper stem form of timber trees. Guidelines for practitioners on alley coppice optimization will be provided at the end of the project.

L’optimisation de la biomasse produite par les taillis à courte rotation de peupliers représente un enjeu majeur pour la production de biocarburants de deuxième génération. Dans ce contexte, ce travail vise à faciliter le développement à court terme de nouvelles variétés clonales de peuplier permettant la production d’une ressource de qualité en s’intéressant plus particulièrement à l’architecture génétique de la résistance à la rouille foliaire et de la qualité du bois chez le peuplier noir (Populus nigra), espèce parente des hybrides cultivés. Des marqueurs SNP ont été développés à partir du séquençage de 665 fragments de gènes dans un panel de 21 individus. Ces derniers ont été associés à des marqueurs SSR et AFLP pour construire de nouvelles cartes génétiques sur une famille de 324 plein-frères clonés. Une technique de phénotypage à haut débit basée sur la spectrométrie à proche infrarouge a été développée pour prédire les teneurs en composés chimiques du bois ainsi que le rendement en saccharification. La mise en évidence d’une variabilité génétique importante pour l’ensemble des caractères a permis de cartographier les régions génomiques impliquées dans leur variation. Parmi les 11 QTL détectés pour la résistance, un QTL à effet majeur co-localise avec un QTL majeur associé à la résistance à la rouille foliaire du saule. Pour la qualité du bois, 15 QTL à effet faible à moyen ont été détectés, dont un cartographié sur le chromosome XIII qui co-localise avec des QTL précédemment identifiés chez le peuplier pour les teneurs en sucres et en lignines. Ce travail de thèse ouvre des perspectives d’identification de gènes sous-jacents aux QTL par génétique d’association., Improvement of lignocellulosic resources from poplar short rotation coppices is a major challenge for the production of second generation biofuels. In this context, the present work aims at optimizing short term creation and deployment of improved poplar clonal varieties through the dissection of genetic control of both leaf rust resistance and wood quality in black poplar (Populus nigra), one of the parental species of cultivated hybrids. SNP markers have been developed from the resequencing of 665 gene fragments in a discovery panel of 21 individuals. These markers were combined with SSRs and AFLPs to build new genetic maps in a pedigree composed of 324 cloned full-sibs. High throughput phenotyping based on near infrared spectroscopy has been used to predict wood chemical contents and saccharification yield. High genetic variability expressed in all traits allowed the identification of genomic regions controlling this variation. Of the 11 QTL mapped for resistance, one major QTL co-localized with a major QTL previously detected for leaf rust resistance in willow. For wood quality, 15 QTL with low to moderate effect have been identified. Interestingly, one QTL mapped on chromosome XIII and colocalized with sugar and lignin contents QTL previously detected in poplar. Present results open perspectives towards the identification of candidate genes underlying the detected QTL through association genetics.

La quantification des feuilles sénescentes de plantes de grandes cultures (i.e. céréales) est aisée parce qu'elles sont à taille humaine. Elle devient difficile lorsqu'il s'agit de plantes pérennes présentant des hauteurs importantes (i.e. arbres). De plus, des cultures de type taillis à courte rotation ou miscanthus présentent des densités de plantation très différentes de celles rencontrées en grandes cultures : elle est généralement inférieure à une plante par mètre carré ; ce qui rend possible, sous l'action d'agents climatiques (i.e. vent) la dispersion des feuilles, et ce d'autant plus lorsque les plantations sont récentes. Cet article a pour objectif de présenter un dispositif de mesures qui s'adapte à des densités de plantation et des hauteurs d'arbre différentes. Il a pour avantage de permettre une évaluation quantitative de la matière sèche sénescente en prenant en compte plusieurs arbres.

absent

In this paper, we propose an analysis and modeling of farmers’ decision to convert a part of their annual crops area into woody crops: short rotation coppices (SRCs). Different criteria—technical, economic, and financial—are highlighted in the farmers’ decision to adopt this production. A farm-level model is proposed and incorporates these decision criteria. The objective is to test several incentive scenarios to encourage risk-averse cereal farmers to plant trees. A multiperiod model of investment is built and tests possible adoption by farmers based on financial and structural parameters and according to the outlook of agricultural markets. The simulations show that if the cash crop prices fluctuate in the future and if farmers are risk averse the strategy of on-farm diversification toward woody crops under contractual arrangements could be relevant for farmers to mitigate the risks in the long run. Cet article presente une analyse et une modelisation de la decision d’un agriculteur cerealier qui souhaite convertir une partie de sa surface en grande culture en Taillis a Courte Rotation (TCR). Un modele multi-periodique d’investissement est construit et incorpore differents criteres techniques, economiques et financiers qui entrent dans la decision d’adopter ces nouvelles cultures perennes. Le modele permet de tester le role de differents types de soutiens, proposes aujourd’hui dans le cadre de la Politique Agricole Commune europeenne, permettant d’encourager les agriculteurs averses au risque a planter des arbres. Les simulations montrent que si les prix des grandes cultures annuelles fluctuent a l’avenir, si la plantation d’arbres est soutenue et si les agriculteurs sont averses au risque, la strategie de se diversifier vers la plantation d’arbres a croissance rapide, sous contrat, peut permettre d’attenuer le risque a long terme.

Les recherches engagées par l'INRA d'Orléans et FCBA dans les années 80 et 90 ont abouti à la mise au point d’une sylviculture originale du peuplier pour une production dédiée de biomasse lignocellulosique : le taillis à courtes rotations (TCR). Combinés aux techniques de la génétique "classique", les outils de la biologie moléculaire ouvrent des perspectives nouvelles d'accroître l'efficacité de la sélection, pour des caractères agronomiques qui sont spécifiques à une culture de Peuplier en TCR. En prenant appui sur notre connaissance de la variabilité de l'espèce et du rôle connu d'un certain nombre de gènes d'adaptation et de productivité, la présente action a pour objet de valoriser en hybridation interspécifique, le polymorphisme allélique de gènes candidats associés à une utilisation du Peuplier en conditions intensives de type TCR. Les activités de recherche seront focalisées sur 4 caractères dont l'amélioration génétique aura un impact direct sur la production de bioéthanol : les propriétés chimiques du bois (notamment le ratio cellulose/lignine), la tolérance aux rouilles foliaires, la productivité (croissance, aptitude au rejet de souche et à la compétition), l'efficience d'utilisation de l'eau.

Cet article a été produit alors que l'auteur était affectée au LEREPS; L'article présente un travail de recherche visant à analyser les conditions d'insertion d'arbres d'eucalyptus en Taillis à Courte Rotation (TCR) au sein d'un canton périurbain de l'agglomération toulousaine (Rieumes). L'analyse porte plus particulièrement sur les modalités de diffusion de cette innovation technique dans le système de production agricole régional. Un dispositif méthodologique alliant deux entrées disciplinaires est formulé. En économie, une analyse des coûts et des contrats proposés aux planteurs est effectuée. Cette première approche permet d'évaluer le caractère incitatif de la plantation, moyennant soutien public, et d'apprécier si l'incertitude liée au choix de plantation est réduite par le contrat. En géographie, un travail de médiation territoriale permet de mettre en lumière les éléments du dispositif institutionnel en place autour de cette innovation, utilisant le paysage comme outil dialogue entre différents acteurs du territoire local (agriculteurs, élus, services de l'État...).

Cet article fait la synthèse des interventions du séminaire préparatoire (mai 2009, Cogolin) consacré aux questions écologiques et organisé dans le cadre de la préparation des journées "Energie - Forêt - Territoires". Stéphane Grulois, Nicolas Nguyen Thé, Maurice Bonneau, Gilles Bonin et Eric Rigolot et nous y avaient respectivement donné des éléments sur la récolte raisonnée des rémanents, les taillis à courte rotation, la sensibilité des sols, les incidences en matière de biodiversité et de paysage mais aussi sur l'inflammabilité et la combustibilité des peuplements. Cette synthèse nous présente les idées fortes qui sont ressorties du séminaire, celles qui ont fait consensus mais aussi les zones d'incertitude

La signature isotopique de la respiration du sol a été analysée en plantation pure de Peuplier (Populus deltoides×Populus nigra) et de Robinier (Robinia pseudoacacia) ou en mélange des deux essences dans un taillis à courte rotation à Moyenvic (Moselle) sur un sol avec un antécédent cultural à base de maïs. La technique des Keeling plots a été utilisée afin de déterminer la signature isotopique du CO2 respiré par le sol. Les valeurs de δ13C de la respiration du sol varient de -17,2‰ à -22‰ deux semaines après la plantation et de –14,4‰ à –22,1‰ six semaines après la plantation. Des prélèvements de sol (- 24,5‰), de résidus de maïs (-13,6‰) et de Chenopodium album L. (-28,6‰), analysés avec le spectromètre de masse isotopique laissent supposer qu’il existe un pool de matière organique labile majoritairement C4 et un pool stable d’origine C3.

La production de biomasse forestière pour l'énergie peut aussi être assurée par des cultures dédiées. Cet article fait le point sur les taillis à courte et très courte rotation, même si l'on est dans une approche plus agricole que forestière

Les scénarios de développement de la production de biomasse ligneuse prévoient tous un recours plus ou moins important aux plantations de taillis à courte rotation (TCR) ou à très courte rotation (TTCR). Nous analysons les effets des TTCR au niveau de la parcelle, puis à celui du paysage. L'impact des TTCR sur la biodiversité est différent selon que les TTCR sont dans un paysage à dominante agricole ou forestière, d'une part, et selon l'antécédent cultural (culture agricole annuelle, jachère, prairie, forêt) auquel ils succèdent, d'autre part. Les TTCR apportent un plus pour la biodiversité au sein de paysages agricoles de grandes cultures, à condition de rester dans des parcelles de petite taille et de les installer en remplacement de cultures annuelles et non de forêts ou de prairies. En paysage à dominante de prairies pérennes, les TTCR ont au contraire un effet négatif sur la biodiversité, souvent riche, des prairies. Dans un paysage à dominante forestière, les TTCR installés sur des terres agricoles favorisent le maintien d'espèces spécialistes en forêt ; en revanche, les TTCR installés en remplacement de forêt existante (et en particulier de forêt ancienne) sont défavorables à la biodiversité, en particulier aux organismes inféodées au bois mort et aux vieux peuplements, qui sont des enjeux forts de biodiversité forestière. Des recommandations terminent le chapitre. / Short rotation coppices (SCR) appear among all the hypotheses dealing with increasing ligneous biomass production. Effects of SCR on biodiversity are explored at local level as wall as at the lansdscape level. The effects depend on the landscape composition and on the previous soil utilisation. Within agricultural and forested lansdscapes, SRC may have positive effects on biodiversity when they replace agriculture but not when they replace forests. Within prairial lansdscape, SRC have negative effects on biodiversity.

L'intensification de la récolte de biomasse forestière a des impacts sur la biodiversité des écosystèmes forestiers, sur la physico-chimie des sols et des ressources en eau. Ce chapitre présente les préconisations en l'état des connaissances actuelles pour limiter ces impacts, lors des opérations de récolte du bois, pour la conduite des peuplements (régénération, choix des essences, âges d'exploitabilité) et dans le cas particulier des cultures dédiées (TTCR). / The increase in forest biomass harvesting has an impact on forest biodiversity and natural resources (soils, water). In ordre to limit these impacts, this chapter gives guidelines concerning biomass harvesting, forest stand management (regeneration, objective species, rotation age) as also the particular case of short rotation coppices.

Can intensive forestry help to shorten agricutture surplus ? This paper focuses on a regional linear programming model able to simulate the competition between food-crops (namely cash-crops) and intensive ligno-cellulosic crops (Short Rotation Forestry of poplars). The competition is examined from the farmers' point of view but also from the Common Agricultural Policy one. Farmers are supposed to maximize their individual income and the CAP objective is to reduce agricultural supports. Applied to a medium intensity area, the model shows the impossibility of satisfying simultaneously both interdependent objectives when SRF are cultivated on the farms instead of cash-crops. The available financial support provided by a decrease of food-crops can't compensate the low SRF profitability, even if a global transfer is done. In order to reach the previous two objectives (micro and macro), prices of wood should approximately be twice higher. These results suggest to reconsider the basic hypothesis of the model, as drastic CAP changes may intervene in a near future and favour non-food crops cultivation by farmers., Cet article présente un modèle régional de programmation linéaire permettant d'analyser les substitutions possibles entre des cultures alimentaires et des productions ligneuses intensives. Ces substitutions sont analysées en tenant compte simultanément des contraintes économiques et financières des producteurs agricoles et des objectifs plus globaux de maîtrise des dépenses de la politique agricole commune. Ce modèle montre que l'introduction d'une production intensive de bois (le peuplier est pris comme exemple) dans des systèmes de production situés en région agricole moyennement intensive ne permet pas une convergence entre les objectifs économiques des agriculteurs et les objectifs de maîtrise des aides à l'agriculture, compte tenu des prix actuels des cultures alimentaires et du bois (hypothèse 120 F par tonne de matière sèche sur pied). Un doublement du prix du bois, toutes choses égales par ailleurs, semble nécessaire pour obtenir cette convergence. Toutefois, l'incidence sur la diminution des aides agricoles reste faible, 2 % environ. Ce résultat suggère d'inscrire la modélisation dans un cadre différent où les prix agricoles seraient remis en cause et où la production de bois irait de pair avec l'agrandissement des exploitations., Hautcolas Jean-Charles, Sourie Jean-Claude. Les productions ligneuses intensives : une solution aux excédents agricoles ?. In: Cahiers d'Economie et sociologie rurales, N°15-16, 2e et 3e trimestres 1990. Économie de la forêt et offre de bois. pp. 127-143.

Fiche 760 ; National audience

International audience; Growth and woody biomass production of three Populus species (P. nigra L. clone Jean Pourtet, P. alba L. clone 2AS-11 and P. × euramericana clone I-214), were followed during the first growing season after coppice of a short rotation coppice culture exposed to elevated atmospheric CO2 concentrations by means of Free-Air Carbon dioxide Enrichment (FACE), and to a nitrogen (N) fertilization treatment. FACE significantly increased the number of shoots per stool, but did not significantly increase height nor total basal area per stool. In September, FACE significantly increased the Leaf Area Index (LAI) with 5.5 to 16.4%, depending on species. FACE significantly stimulated the woody biomass production by up to 25%, but the stimulation of P. alba and P. × euramericana was restricted to the fertilized treatment. Significant differences between species were observed. We concluded that coppice diminished the FACE effect, that the positive FACE effect was restricted under lower soil fertility, and that species differed in their response to FACE.; La croissance de taillis de peuplier à courte rotation dans une atmosphère à concentration en CO2 élevée dépend de la fertilisation et de l'espèce. La croissance et la production ligneuse de biomasse de trois espèces de peuplier (Pinus nigra L. clone J. Pourtet, P. alba L. clone 2AS-11 et P. × euramericana clone I-214) ont été suivies pendant la première saison de croissance après la coupe du taillis à courte rotation exposé à une concentration élevée en CO2, au moyen d'un système FACE et à une fertilisation azotée. Le FACE accroît significativement le nombre de pousses par pied. En septembre, le FACE a augmenté l'indice foliaire (LAI) de 5,5 à 16,4 % selon les espèces. FACE stimule significativement la production de biomasse ligneuse (25 %) mais pour P. alba et P. × euramericana cette stimulation ne concerne que le traitement fertilisé. Des différences significatives ont été observées entre les espèces. Nous concluons que le taillis amoindrit l'effet du FACE, que l'effet positif du FACE était limité pour un sol peu fertile et que les espèces diffèrent dans leur réponse au FACE.

Intérêt économique de nouvelles techniques sylvicoles dans les taillis solognots : amélioration des taillis existants et création de taillis a courte rotation