Blanc SVSE 7 - Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes : Biodiversité, évolution des écosystèmes, écosystèmes productifs, agronomie

Déterminismes biophysiques et moléculaires de la vulnérabilité à l'embolie chez les arbres – PitBulles

Déterminismes biophysiques et moléculaires de la vulnérabilité à l'embolie chez les arbres

La circulation de l’eau dans l’arbre s’opère sous tension, c’est-à-dire dans une condition physiquement métastable et sujette à des risques de cavitation. La vulnérabilité à la cavitation est un trait majeur de la résistance à la sécheresse des arbres.

Identifier les acteurs moléculaires de la cavitation

Identifier les bases moléculaires de la cavitation est un enjeu fort pour l'amélioration génétique et la protection des espèces ligneuse dans un contexte climatique changeant. L’objectif de ce projet est de comprendre les facteurs clés qui contrôlent la vulnérabilité du xylème à la cavitation. L’hypothèse principale qui sous-tend ce projet est que le mécanisme de cavitation est déterminé par la structure et les propriétés physico-chimiques de la paroi primaire des ponctuations.

La démarche consiste à définir les structures anatomiques déterminantes pour la formation de la cavitation dans l’objectif d’identifier les gènes codants pour ces structures. Une partie centrale de ce projet consiste à analyser ces propriétés pour des espèces, des génotypes et des phénotypes contrastés vis-à-vis de leur vulnérabilité à l’embolie. Ces travaux sur la structure fine des ponctuations forment la base d’une analyse micro-fluidique de leur fonctionnement.

Le projet étant à mi-parcours, les résultats sont encore en acquisition. Des avancées significatives ont été obtenues sur la structure, la mécanique et la compositions chimique des ponctuations. Ceci a permis d'élaborer un premier modèle mécanique de la ponctuation et du phénomène de cavitation.
Par ailleurs des gènes putativement impliqué dans la résistance à la cavitation ont été identifiés et en cours de validation

Les perspectives à court terme sont la validation des gènes putatifs de la cavitation et l'analyse d'un modèle biomimétiques de la structure des ponctuations.

5 publications

Les changements climatiques vont affecter la durabilité des écosystèmes forestiers, ce qui engendrera des perturbations écologiques et économiques importantes. La disponibilité en eau étant l’un des principaux facteurs limitant le fonctionnement des forêts actuelles, l’accentuation du risque de sécheresses extrêmes sera l’un des facteur le climatique les plus perturbants. Un enjeu majeur pour la recherche est de fournir des critères de sélection pertinents et opérationnels afin d’identifier des génotypes plus résistants aux aléas climatiques. Notre projet s’inscrit dans cette démarche.
Les arbres irriguent leurs organes par un système de transfert d’eau qui opère sous des pressions hydrostatiques très négatives, particulièrement lorsqu’ils sont exposés à des contraintes hydriques. Dans ces conditions métastables, les arbres vivent sous le risque d’une vaporisation soudaine de leur sève, l’embolie. Les travaux effectués au cours des deux dernières décennies sur le fonctionnement hydraulique des arbres ont conduit à la conclusion importante que la résistance à l’embolie est un caractère adaptatif majeur de la tolérance des arbres à la sécheresse. Cependant, les travaux sur la diversité génétique et les implications écologiques de ce trait demeurent encore très limités, pour deux raisons. Tout d’abord, certains travaux étaient inenvisageables car aucune technique ne permettait l’étude de ce caractère sur un grand nombre d’individus. Le développement de la technique du « Cavitron » par le coordinateur de ce projet a levé récemment ce verrou méthodologique. En revanche, les bases génétiques de la résistance à l’embolie restent inconnues à ce jour, ce qui freine considérablement les recherches dans les domaines de l’écologie moléculaire ou de la génétique des populations. L’ambition de ce projet est de lever ce second verrou.
La démarche que nous avons mise en place consiste à définir les structures anatomiques déterminantes pour la formation de l’embolie dans l’objectif d’identifier les gènes codants pour ces structures. Dans l’état actuel des connaissances, l’embolie se propage dans le tissu vasculaire des arbres lorsqu’une bulle d’air pénètre à travers les parois des conduits, au niveau des ponctuations, structure anatomique permettant le passage de la sève d’un conduit à l’autre. L’hypothèse principale qui sous-tend ce projet est que le mécanisme d’embolie est déterminé par la structure et les propriétés physico-chimiques de la paroi primaire des ponctuations. Une partie centrale de ce projet consistera à analyser, avec les techniques d’investigations les plus modernes, ces propriétés pour des espèces, des génotypes et des phénotypes contrastés vis-à-vis de leur vulnérabilité à l’embolie. Une attention particulière sera portée sur la composition pectique de ces parois car des résultats préliminaires attestent de leur rôle majeur dans ce mécanisme. Ces travaux sur la structure fine des ponctuations formeront la base d’une analyse micro-fluidique de leur fonctionnement. Il s’agira ici de proposer un modèle physique explicatif du mécanisme d’embolie. Ce modèle sera validé par des expérimentations sur des parois biomimétiques artificielles. A l’issue de ces investigations, nous seront en mesure de proposer une liste ciblée de gènes codants spécifiquement pour les structures clés des ponctuations et putativement impliqués dans la résistance à la cavitation. Le dernier volet de ce projet consistera à valider l’implication de ces gènes grâce aux outils de la biologie moléculaires.
Le projet repose sur l’interdisciplinarité et complémentarité de trois partenaires, leaders chacuns dans des thématiques clés pour cette étude : hydraulique des arbres, parois primaires des végétaux, microfluidique. Cette démarche interdisciplinaire proposée ici pour la première fois devrait permettre de lever des verrous scientifiques majeurs et ainsi ouvrir les portes vers des recherches innovantes sur les ressources génétiques forestières.

Coordinateur du projet

Monsieur Herve COCHARD (INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE CLERMONT FERRAND THEIX) – cochard@clermont.inra.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IMFT INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
INRA INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE CLERMONT FERRAND THEIX
INRA INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE NANTES

Aide de l'ANR 599 991 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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