The Impact of Climate Change and Soil Management on Root System Architecture and rhizosphere processes in Winter Wheat - Insight from an Ecotron experiment

Abstract

Climate change (CC) poses significant challenges to global food security by affecting crop productivity. Winter wheat (Triticum aestivum L.), a major staple food consumed in Europe, is particularly vulnerable to CC. Yet, wheat production must increase by 70 Mt by 2050 to feed the projected 9.8 billion people. Competition for land and resources coupled with the degradation of the environment by intensive agriculture demands resource-efficient agricultural systems that maintain agroecosystems’ ability to provide goods and services in the long run. In this context, sustainable agricultural strategies that enhance wheat resilience under CC are urgently needed. This study investigates the interactions between Root System Architecture (RSA), rhizosphere processes, and wheat performance under simulated future climate scenarios and contrasting soil management practices (low vs. high organic matter input) in order to identify potential innovative farming practices that simultaneously sustain wheat yield and preserve the environment under the challenges of CC. Results indicate that elevated CO₂ and warming influence carbon allocation in wheat, by promoting shoot over root biomass. However, RSA responses to climate stress were non-linear: root proliferation increased under the 2068 scenario but declined under the more extreme 2085 climate, indicating complex adaptative responses of wheat under CC. Deeper RSA traits were observed in high-SOM soils, yet these did not confer yield advantages, likely due to increased microbial competition for nitrogen. Conversely, low-SOM soils promoted shallower roots with consistently higher grain yield but increased the risk of nitrate leaching. These findings highlight the need of breeding dimorphic wheat ideotypes capable of forming both shallow and deep roots to ally the needs of sustaining wheat yield increases, with the preservation of the environment. Future long-term field trials are essential to validate these insights and guide a more resilient wheat production in the face of CC.

Le changement climatique (CC) représente un défi majeur pour la sécurité alimentaire mondiale actuelle et future en affectant considérablement la productivité des systèmes agricoles. Le blé d’hiver est un aliment de base largement consommé et produit en Europe qui est particulièrement vulnérable au CC. Or, la production de blé mondiale doit être augmentée de 70 Mt d’ici 2050 pour pouvoir nourrir une population estimée à 9.8 milliards d’ici la moitié du siècle. La compétition pour les ressources et la terre, couplée à la dégradation de l’environnement par l’agriculture intensive, imposent de développer des systèmes agricoles plus efficients en ressources capables de maintenir la productivité des agroécosystèmes sur le long terme. C’est dans ce contexte qu’il faut trouver de nouvelles pratiques agricoles pouvant accroître la résilience du blé sous les contraintes du CC, tout en préservant l’environnement. Ce mémoire de fin d’étude étudie les relations entre architecture racinaire du blé, microbes de la rhizosphère et indicateurs de rendement, sous des climats futurs simulés, et deux types de gestion du sol contrastés (apports faibles vs. élevés en matière organique), afin de déterminer quelles pratiques agricoles peuvent améliorer la résilience du blé au CC. Les résultats obtenus indiquent que les climats futurs favorisent plutôt la production de biomasse aérienne par rapport aux racines chez le blé d’hiver, bien que les réponses racinaires sont non-linéaires : la prolifération racinaire est accrue dans le climat de 2068 mais réduite dans le climat de 2085, témoignant de la complexité des réponses adaptatives du blé face au CC. Des systèmes racinaires plus profonds ont été observés dans les sols à haute teneur en matière organique, mais cela n’a pas conféré d’avantages de rendement. À l’inverse, les plants de blé dans le sol à faible teneur en matière organique ont favorisé des systèmes racinaires plus superficiels donnant un meilleur rendement, mais qui ont probablement accru le risque de lessivage des nitrates. Ces résultats corroborent le besoin de sélectionner des plants de blé ayant un système dimorphique capable de se développer autant en profondeur qu’en surface, afin d’allier rendement agricole et réduction de la pollution des écosystèmes. Des essais long-terme en champs sont nécessaires pour valider les résultats obtenus dans cette étude, ce afin de guider au mieux une production de blé résiliente au CC.