Marron N., Monclus R., Bonhomme L., Fichot R., Chamaillard S., Rasheed F., Toillon J., Villar M., Bastien C., Ceulemans R., Dreyer E. & Brignolas F.

International Poplar Symposium VIJuly 22, 2014 – Vancouver, British Columbia, Canada

Poplars originally restricted to riparian areas

Common selection criteria:

Productivity, trunk straightness, resistance to pathogens

Climate change, sustainable management of water resources

Water‐Use Efficiency (WUE) Drought tolerance

Additional selection criteria:

Productivity tightly dependent on water availability

Biomass production maintenance

TE = Biomass produced / Water usedWUEi = Assimilation / Stomatal conductance

Indirectly, Δ13C

Water‐Use Efficiency (WUE)

Can we adjust genotypes to site pedoclimatic conditions?

Can we buffer the decreases in biomass production due to 

fluctuating water availability?

Variation? (Tn) Plasticity? (Tn+1)

Is Δ13C a robust predictor of WUE?

To what extent does WUE vary among and within hybrids?

How do environmental conditions affect WUE?

Are WUE and biomass production related?Is the relationship modulated by environmental factors?  

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

More specifically:

Is there a relationship between WUE and drought tolerance?

Populus deltoides × P. nigra Populus deltoides × P. trichocarpa

Hybrid crosses mainly used in Europe

Greenhouse

Marron – 2003

Nursery

Monclus – 2006

Fichot – 2010

Short‐rotation coppice

Toillon – 2013

Dillen – 2009

Broeckx – 2013

Mature plantation

Bonhomme – 2009

Rasheed – 2012

From greenhouses to mature plantations

From 2‐month‐old cuttings to 14‐year‐old trees

Euramerican hybrids Interamerican hybrids

Related (F1 families) or unrelated hybrids (commercial genotypes)

Variations in WUE efficiently predicted by Δ13C,even when measured at different scales

S3K3

O3

S1S2

K2G3

W1B3

G4

S5S4O4

K4B5B4W3

W4

K1

W2

O5O6

O7

G2

G5 G1G6

W7W6K7

W5K6 B6B7K5 S7

R² = 0.33P < 0.0001 

P

FC

A

R

I45

R² = 0.84P < 0.001

Δ13 C (‰

)188

At whole‐plant level:

TE = biomass / water‐use

Rasheed et al. 2012Plant Cell Environ.

TE (g L‐1)

21.2

21.7

22.2

22.7

23.2

23.7

24.7

24.2

9 10 11 12 13 14 15 16 17

At leaf level:

WUEi = A/gs

Broeckx et al. 2014Tree Physiol.

Δ13 C (‰

)

WUEi (mmol mol‐1)0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

17

18

19

20

21

22

24

23

6 commercial genotypesSRC plantation

Plant material and conditions:6 commercial genotypes

Greenhouse

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

24

23

22

21

20

19

29 P. deltoides × P. nigra

Field nursery

Monclus et al. 2006New Phytol.

×

2003 2004

Δ (‰)

27

26

25

8 P. deltoides × P. nigra4 P. trichocarpa × P. deltoides

Mature plantations

Bonhomme et al. 2008Ann. For. Sci.

2005 2006

D×N D×T D×N D×T

50 F1 P. deltoides × P. nigra50 F1 P. deltoides × P. trichocarpa

Field nursery

Dillen et al. 2008Ann. Bot.

D×N D×T

×

×

×

×

18

Marron et al. 2005Tree Physiol.

31 P. deltoides × P. nigra

Greenhouse

Significant variation irrespective of hybrid crosses,relatedness, site conditions, age, etc.

Plant material and conditions:

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

Monclus et al. 2012BMC Plant Biology

330 F1 P. deltoides × P. trichocarpa progenyNursery

Only four QTL with minor effects (variance explained < 7%)

Plant material and conditions:

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

Response genotype‐dependentSelection of genotypes specific to site conditions

56 P. deltoides × P. nigra – 2 sites (ECH vs. SCV) – 2 planting densities

Toillon et al. 2013For. Ecol. Manage.

Δ13

C (‰

)

G × S***Echigey St Cyr-en-Val

12

22

20

18

16

14

Δ13

C (‰

)

G × D***18

22

21

20

19

1400trees.ha‐1

7200trees.ha‐1

Plant material and conditions:

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

7200 trees.ha‐1

G × D***

Δ13

C (‰

)

12

22

20

18

16

14

1400trees.ha‐1

7200trees.ha‐1

No trade‐off between biomass production and WUE

denserdenser 

Toillon et al. 2013For. Ecol. Manage.

Plant material and conditions:

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

56 P. deltoides × P. nigra – 2 sites (ECH vs. SCV) – 2 planting densities

harsherharsher  

Site conditions:

Planting densities:

Biomass decrease in response to drought:

: < 25%: from 25 to 50% 

: > 50%

21

29 unrelated P. deltoides × P. nigra Field nursery

Irrigated vs. not irrigated

No simple relationship WUE is not a direct component of drought tolerance

Monclus et al. 2006New Phytol.

24

23

22

20

‐1.5 ‐1 ‐0.5 0 0.5 1 1.5

Δww (‰)

Δww ‐ Δwd (‰)

Plant material and conditions:

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

Need for a better understanding of physiological and molecular bases underlying WUE and its phenotypic plasticity

Need for data integration at different study scales

Δas predictor

Phenotypic variation

Phenotypic plasticity

Relationshipwith production

Link to drought tolerance

Robust

Potential for improving WUE without decreasing overall productivity

Significant No trade‐offGenotype‐dependent

Not simple