SUIVI DES STRESS LIES AU GEL CHEZ LES ARBRES PAR L’ANALYSE DE LA FORME DES ONDES DES ÉMISSIONS ACOUSTIQUES. – ACOUFREEZE

L’embolie des vaisseaux du bois est le stade ultime du dépérissement des arbres. La sécheresse et le gel sont les 2 principaux facteurs pouvant induire l’embolie. Plusieurs méthodes sont disponibles pour la mesurer, mais ces méthodes sont destructives et ne permettent pas un suivi in natura. La méthode acoustique permet ce suivi lors de cycles gel-dégel sur Conifères. L’objectif du projet était donc de tester cette méthode sur les Angiospermes (10 espèces) en comparant l’effet des températures gélives.
Pour ce faire, la température minimale de chaque cycle de gel a été corrélée aux pertes de conductivité hydraulique (PLC). Les espèces aux plus larges vaisseaux du bois montrent une PLC supérieure. Les émissions d’ultrasons commencent avec la prise en glace et augmentent avec la diminution des températures, alors qu’il n’y a aucune émission d’ultrason lors du dégel. La température à laquelle 50% des émissions d’ultrasons sont émises varie selon les espèces et est corrélée au 50% de PLC. Nos résultats indiquent que les températures au cours du gel sont impliquées dans la formation et l'ensemencement en air des vaisseaux du bois.

Notre étude montre qu’une nouvelle méthodologie non invasive, basée sur la détection et l’analyse des signaux ultrasoniques émis par l’arbre permet de suivre la vulnérabilité au gel des vaisseaux du bois et des cellules vivantes d’une espèce. Elle montre également que les seuils de cavitation spécifiques des différentes espèces lors du gel sont liés au potentiel hydrique de la glace qui diminue avec la baisse des températures, alors que la propagation de l’air dans les vaisseaux du bois, provoquant l’embolie, se produirait lors du dégel. Elle montre enfin que cette méthodologie peut être utilisée pour suivre in situ la prise en glace à l’intérieur d’un végétal in natura tout comme la progression du front de glace.

Nos résultats indiquent clairement la possibilité d’utiliser la méthode acoustique pour la détection à la fois de l'embolie, des dommages aux cellules du parenchyme, tout comme la prise en glace, la localisation de cette prise en glace et la vitesse de propagation du front de glace.
Nous avons également montré que les seuils de cavitation spécifiques des espèces en lien avec la création des bulles d’air sont atteints lors de la congélation en fonction du potentiel hydrique de la glace en lien avec la baisse des températures, tandis que l'expansion de ces bulles se produit lors du dégel. L’analyse des EUs permet donc de surveiller le processus de cavitation et d’estimer la perte de conductivité hydraulique suite à un cycle gel-dégel.
Nos résultats ont permis d’apporter de nouvelles perspectives dans la compréhension du processus complexe des mouvements de l'eau et la formation de glace dans les tiges arbre et dans la dynamique de ces processus au cours de cycles de gel-dégel. L’analyse des émissions d’ultrasons, l’utilisation des signaux automatiques (AST) permettent l’utilisation de cette méthode pour surveiller la prise en glace, la propagation de la glace in natura en ouvrant des pistes sur un nouvel outil puissant pour la surveillance des plantes dans ces conditions thermiques extrêmes.
Nous souhaitons donc continuer dans ce sens et travaillerons en 2016 sur la préparation d’un futur projet Franco-Autrichien.

Le consortium de ce projet a permis l’obtention d’une production académique exceptionnelle (10 publications à comité de lecture) et de qualité (IFmoyen = 5.895 ; toutes de notoriété Excellente ou Exceptionnelle en Forestry et/ou Plant Sciences) en seulement 3 ans ½. Ces très bons résultats sont liés à la complémentarité des deux équipes académiques qui avaient déjà travaillé ensemble lors de 2 précédents projets Huber Curien (Projet Amadeus 2004-2005 ; No. 11/2004 : Freeze-thaw induced embolism in conifers. Projet Amadeus 2009-2010, No. 19440YE : Resistance to water and freezing stress: intraspecific variations in conifers and angiosperms) et à l’aide du partenaire industriel, leader mondial des techniques acoustiques utilisées dans ce projet. Notons ici que l’échange de nos post-doctorants (Dr Katline Charra-Vaskou : PhD de l’université d’Innsbruck, recrutée en Post-Doc sur ce projet à Clermont-Fd et le Dr Guillaume Charrier, PhD de l’Université Blaise Pascal à Clermont-Fd et recruté en Post-Doc à l’Université d’Innsbruck) a été un point majeur de la réussite de ce projet.

L'incidence du changement climatique sur la durabilité des forets se traduira par de fortes répercussions écologiques et économiques. Ainsi, pour la température, si elle augmente très probablement dans le futur, avec une réduction des gels, leurs intensités resteraient similaires. Dans ces conditions, les dommages de gel sont susceptibles d'augmenter car, paradoxalement, la capacité de résister s’acquiert à la chute des feuilles sous l'influence des basses températures. Le défi majeur pour la recherche est de fournir des critères pertinents et opérationnels afin d'identifier des génotypes plus résistants aux aléas climatiques. Notre projet vise à remplir cette tâche.
La tolérance au gel est l'un des principaux facteurs limitant la survie et la distribution des plantes dans de nombreux écosystèmes. Elle implique une tolérance à la fois cellulaire et des vaisseaux transportant la sève. Pour les cellules, la mort peut se produire lorsque l'eau intracellulaire gèle ou lorsqu’elles se déshydratent trop fortement à cause de la glace extra-cellulaire. Ainsi, les arbres tempérés montrent au cours de l'année de grandes variations de la résistance au gel. Pour les vaisseaux, un cycle gel-dégel peut provoquer une embolie hivernale. L'air obstrue les conduits qui alors ne contribuent plus au transport de l'eau. Pour les conifères, le gel ne provoque que peu de dégâts en général sauf pour un très grand nombre de cycles de gel-dégel. A l'inverse, pour les espèces à zone poreuse, un seul cycle peut être suffisant pour endommager l’ensemble des vaisseaux du xylème. Pour les espèces à pores diffus, généralement, le nombre de conduits obstrués augmente progressivement pendant l'hiver. Pour toutes les espèces à feuilles caduques, la circulation de la sève doit être rétablie avant le débourrement et différents mécanismes existent comme la formation de nouveaux vaisseaux et/ou la réparation des vaisseaux obstrués. Dans ces mécanismes, l'état des cellules (cambium ou associées aux vaisseaux) influence la possibilité de réparer l’embolie.
Le comportement des arbres au gel peut être suivi par différentes méthodes: test de fuite d'électrolyte (LT50) pour les cellules, % de perte de la conductivité hydraulique (PLC) pour les vaisseaux. Ces méthodes sont cependant laborieuses et consommatrices de temps. Récemment, notre partenaire Autrichien a développé une nouvelle méthode pour quantifier la PLC chez des conifères par l'analyse de l'énergie et de la forme d’onde des Emissions Acoustiques (EA). Nous voyons dans cette méthode un fort potentiel pour construire des courbes de vulnérabilité (VC) pour les Angiospermes et pour suivre en direct le gel in natura.
Le projet met l'accent sur la construction des VCs et le suivi en direct des dégâts du gel pour différents arbres. Cette possibilité est fondée sur la fiabilité des techniques d'EA et sur l’analyse des formes d'ondes produites par des phénomènes irréversibles (ex. propagation de fissures, corrosion, cavitation, évolution de bulles, ...). Chaque phénomène physique possède des caractéristiques acoustiques propres et l'analyse des AE doit nous permettre d'identifier la contribution de chaque phénomène. Ainsi, nous devrions être capables de distinguer la cavitation des vaisseaux des EAs dues aux cellules du bois ou de l'écorce. Ainsi, cette méthode pourrait nous permettre le repérage en direct du type de dommages lié au gel. Notre étude se réalisera sur un ensemble de conifères et d’angiospermes d'importance économique en Europe. La méthode d'analyse développée aidera à sélectionner des essences forestières ou cultivars à haute tolérance au gel, ce qui, dans un environnement changeant, est de grande importance. Le prototype acoustique portable développé par notre partenaire industriel dans ce projet aidera les scientifiques à surveiller la résistance au gel in natura et à résoudre les principaux écueils scientifiques dans la compréhension de la limite altitudinale des arbres et de leurs distributions.