Mesure du taux d’embolie dans des pétioles de peupliers soumis à la sécheresse

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Mesure du taux d’embolie dans des pétioles de peupliers

soumis à la sécheresse

Margot Dalençon

To cite this version:

Margot Dalençon. Mesure du taux d’embolie dans des pétioles de peupliers soumis à la sécheresse. [Stage] Université Henri Poincaré (Nancy 1), Vandoeuvre-lès-Nancy, FRA. 2008, 40 p. �hal-02813024�

Mesure du taux

d’embolie dans des

pétioles de peupliers

soumis à la sécheresse

Stage à l’INRA Champenoux

13 mai-13 juin 2008

UMR Ecologie et Ecophysiologie Forestières

Dalençon Margot

Promo 14

Remerciements

Je tiens à remercier tout particulièrement Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot pour m’avoir offert ce stage et pour le temps qu’elle m’a consacré dans cette période plutôt surchargée qui a précédé la récolte « Popsec ».

Je remercie également les membres de l’équipe de l’UMR EEF pour leur convivialité qui a rendu ce séjour à l’INRA si agréable.

Une pensée également pour Clémentine et Amélie Hugot pour leur aide et leur soutien précieux lors de ma recherche de stage.

Table des matières

PRESENTATION

I. INTRODUCTION ... 1

II. FONCTIONNEMENT HYDRIQUE DE L’ARBRE ... 3

1. LA CIRCULATION DE LA SEVE BRUTE...3

a. Le xylème...3

b. Tension ...4

c. Cohésion ...5

d. Analogie ohmique...5

e. Les résistances hydrauliques...6

2.LA CAVITATION ET L’EMBOLIE ESTIVALE...7

a. Cavitation et embolie ...7

b. Les mécanismes qui limitent ce phénomène...8

c. Détection de l’embolie...9

III. MATERIEL ET METHODES ... 11

1.MATERIEL...11

2.MESURE DU TAUX D’EMBOLIE...11

a. Théorie ...11

b. En pratique...12

c. Embolisation contrôlée...13

IV. RESULTATS... 14

1. ETUDES PRELIMINAIRES...14

2.TAUX D’EMBOLIE DANS 4 GENOTYPES DE PEUPLIER...15

V. DISCUSSION... 16

1. ETUDES PRELIMINAIRES...16

2.TAUX D’EMBOLIE DANS 4 GENOTYPES DE PEUPLIER...18

VI. CONCLUSION ... 19

REFERENCES ... 20 CONCLUSION GENERALE

Présentation

Mon stage s’est déroulé au sein de l’INRA (Institut National de recherche Agronomique). Cet organisme de recherche publique a été créé en 1946 afin de moderniser l’agriculture française au lendemain de la guerre et rendre la France auto-suffisante du point de vue alimentaire. Aujourd’hui l’INRA axe ses recherches dans trois grands domaines : l’alimentation, l’agriculture et l’environnement, dans un esprit de développement durable. Il est devenu le premier organisme de recherche agronomique d’Europe et le troisième mondial.

Le centre INRA de Nancy regroupe environ 500 personnes réparties au sein de 13 unités de recherche localisées sur cinq sites : Champenoux, Mirecourt, Nancy-ENGREF, Vandoeuvre-Université Henri Poincaré-UFR-STB, Vandoeuvre-ENSAIA et ENSTIB. Leurs recherches visent principalement à comprendre le fonctionnement des écosystèmes forestiers à toutes les échelles et sous diverses conditions climatiques, édaphiques ou atmosphériques, l’impact sur l’environnement des activités de production dans les filières bois et lait ainsi qu’à approfondir les recherches sur la qualité, la sécurité et l’innovation des produits laitiers.

Le site de Champenoux spécialisé en recherches forestières, accueille l’Unité Mixte de Recherche (UMR) Ecologie et Ecophysiologie Forestières, regroupant des membres de l’INRA et de l’Université Henri Poincaré. Les objectifs de cette unité s’articulent autour de quatre thématiques de recherches :

-Ecophysiologie de l’arbre sous contraintes environnementale -Diversité fonctionnelle et adaptation

-Fonctionnement des écosystèmes

-Dynamique à long terme et disfonctionnements des écosystèmes forestiers

La première thématique vise à étudier les impacts des facteurs environnementaux sur les arbres et à analyser leurs réponses. Les contraintes étudiées sont la sécheresse, la concentration troposphérique en ozone, l’hypoxie racinaire, la chaleur et la concentration atmosphérique en

CO2. La seconde à pour but d’identifier les fonctions physiologiques et les structures qui

différencient les arbres d’un point de vue inter et intraspécifique et par la même occasion de déterminer le rôle ces fonctions dans les processus d’adaptation environnementale. Depuis

quelques années dans le cadre de la troisième thématique, les recherches sur le rôle des écosystèmes forestiers dans le cycle du carbone et de l’eau se sont renforcées. Enfin, la dernière thématique a pour objet d’étudier l’influence des perturbations naturelles (sécheresse, tempête, attaque d’insectes…) et anthropiques (pollution atmosphérique, changement d’utilisation des sols...) sur les écosystèmes forestiers.

Les recherches menées balayent une large gamme d’échelles de temps et d’espace, allant des réactions moléculaires instantanées à l’évolution d’écosystèmes entiers sur les siècles passés et les décennies à venir.

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I. Introduction

La planète se réchauffe. Les preuves se multiplient. Nous avons tous encore en mémoire la canicule de 2003 et la manière dont elle nous a touchés. Mais si la chaleur nous affecte tant, qu’en est-il des plantes, ces organismes statiques qui dépendent des réserves hydriques du sol ?

La sécheresse est un facteur limitant de la croissance des plantes. Face au réchauffement rapide et à l’échelle mondiale qui s’annonce, les arbres ne pourront s’adapter comme ils l’ont toujours fait grâce à la sélection naturelle. Pour prévoir les conséquences de ce réchauffement sur l’environnement et en particulier les écosystèmes forestiers, il faut comprendre les mécanismes de réponse et d’acclimatation des arbres face au stress hydrique ainsi qu’évaluer le potentiel adaptatif des différentes espèces et sous-espèces. Ces études pourront permettre aux agriculteurs et aux producteurs forestiers d’adapter leur production à ces nouvelles contraintes en sélectionnant par exemple, les espèces les plus résistantes aux sécheresses annuelles.

Au sein de l’UMR EEF, l’équipe de recherche que j’ai rejoint étudie les mécanismes d’acclimatation mis en œuvre par les plantes pour faire face au manque d’eau avec une approche couplée, écophysiologie–génomique fonctionnelle. Le but ultime de leurs projets est d’identifier des gènes qui contribuent aux différents processus physiologiques qui permettent cette acclimatation. La découverte de ces derniers pourrait avoir des applications en production forestière ou en agriculture.

Le projet Popsec, financé par Génoplante, est un programme de recherche de génomique végétale qui associe des biologistes moléculaires et des écophysiologistes. Cette collaboration entre l’écophysiologie et la génomique fonctionnelle devrait permettre l’identification de gènes d’intérêts par rapport à l’acclimatation à la sécheresse.

Cette étude est réalisée sur du peuplier car, bien qu’il fasse partie des espèces les moins résistantes à la sécheresse, c’est le seul arbre dont le génome a été complètement séquencé, ce qui constitue un outil moléculaire de choix. Les résultats obtenus sur cette espèce seront utilisés pour étudier ce processus d’acclimatation chez d’autres espèces d’arbres d’intérêts forestiers.

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L’année dernière à la même époque, une première expérience a déjà eu lieu. Elle portait sur deux clones hybrides issus du croisement entre les deux espèces naturelles Populus deltoïdes et

Populus nigra appelés Carpaccio et Soligo. On parle ici de clones car les plants proviennent de

boutures d’un même génotype. Cette première étude avait pour objet l’analyse du transcriptome et du protéome de différents tissus de plants soumis à différents stades et degrés de sécheresse afin de sélectionner des gènes ‘candidats’, c’est-à-dire potentiellement impliqués dans l’acclimatation au déficit hydrique.

Cette année, une deuxième expérience basée sur le même protocole permettra de tester l’intérêt de ces gènes candidats en mesurant leur expression sur huit clones de peupliers par PCR

(Polymerisation Chain Reaction). S’ajoutent aux deux hybrides de 2007 quatre autres génotypes

issus du même croisement : Dorskamp, Flévo I-214, et Koster et deux autres hybrides : le clone 717-1B4 issue d’un croisement entre Populus tremula et Populus alba et le clone Beaupré provenant d’une hybridation entre Populus trichocarpa et Populus deltoides. Comme en 2007, à l’étude génomique sera associée une analyse de la réponse physiologique au stress hydrique. En effet, en caractérisant la résistance à la sécheresse des clones grâce aux paramètres physiologiques (statut hydrique, potentiel hydrique de base, échanges gazeux, taux d’embolie…) et en analysant le degré d’expression des gènes étudiés, les chercheurs espèrent mieux qualifier le rôle des gènes analysés.

Le travail qui m’a été confié présentait deux objectifs. Le premier étant de tester et mettre au point les mesures d’embolie sur les pétioles des différents génotypes de peuplier afin de réaliser le second : mesurer le taux d’embolie dans les pétioles de ces peupliers à l’issue de la sécheresse, lors de la récolte de l’expérience en cours.

Le taux d’embolie est un critère de sensibilité des arbres face à la sécheresse. Ces mesures apporteront donc des renseignements physiologiques supplémentaires sur le degré de résistance des clones étudiés.

Pour mieux appréhender ce travail, un récapitulatif sur les connaissances actuelles sur la

circulation de l’eau dans la plante et sur le phénomène d’embolie fut nécessaire, et c’est ce qui constitue la première partie de ce rapport.

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II. Fonctionnement hydrique de l’arbre

L’arbre, comme tout être vivant est constitué d’eau. Elle est indispensable à son métabolisme et entre en jeu dans un certain nombre de mécanismes. L’eau est absorbée au niveau des racines. Puis conduite par le bois, elle irrigue tous les organes de la plante. Enfin, la grande majorité s’évapore au niveau des feuilles grâce à l’énergie lumineuse du soleil (figure 1). Ce mécanisme permet à la plante de se protéger de cette trop grande quantité d’énergie qui arrive sur ses feuilles. En effet si elle n’était pas utilisée pour évaporer l’eau (mécanisme très coûteux en énergie), la lumière du soleil pourrait brûler les feuilles de l’arbre. C’est pourquoi, bien que les proportions varient selon les espèces, la plante a besoin d’une quantité d’eau importante, indispensable à sa survie.

L’arbre absorbe cette grande quantité d’eau nécessaire au niveau de ses racines, mais alors comment fait-il pour la transporter jusqu’à la cime ? Et qu’arrive-t-il quand les réserves en eau du sol diminuent ?

1. La circulation de la sève brute

a. Le xylème

Chez les végétaux, il existe deux appareils conducteurs de la sève. Le premier sert à transporter l’eau et les minéraux via la sève brute, c’est le xylème. Le second permet l’acheminement des produits élaborés dans les feuilles vers le reste de la plante, il est appelé phloème. Lorsque l’on parle de fonctionnement hydrique, c’est à la circulation de l’eau et donc du réseau de xylème que l’on s’intéresse. Nous ne développerons donc pas le fonctionnement du phloème.

Le xylème, appelé aussi bois, est constitué de fibres, de cellules parenchymateuses et d’éléments conducteurs : les vaisseaux et les trachéides. Les fibres sont des cellules mortes très épaisses servant au soutien de la plante. Les cellules parenchymateuses sont, elles, vivantes et ont un rôle de stockage. Les éléments conducteurs sont faits de cellules lignifiées mortes et

vides, assemblées bout à bout dans lesquelles la sève brute (eau et ions minéraux) circule. Les

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Depuis plus d’un siècle, les scientifiques se penchent sur le fonctionnement des processus à l’origine de l’ascension de la sève (qui peut atteindre, pour les plus grands arbres plus de 100 mètres).

b. Tension

La théorie de tension-cohésion, proposée par Dixon, Joly et Askenasy en 1895, fut la première à expliquer ce mécanisme. Au niveau des feuilles, dans les parois pectocellulosiques poreuses des cellules de la chambre sous-stomatique, l’eau s’évapore pour être en équilibre avec l’air à son contact. Cette réaction induit une tension, l’eau est ‘tirée’ pour venir équilibrer les

deux phases en contact et remplacer les molécules évaporées. En s’évaporant, l’eau creuse des

ménisques air-sève dont le rayon de courbure crée cette force ascensionnelle, cette tension. Ce mécanisme est similaire au phénomène de capillarité que la loi de Jurin de 1718 met en équation. Elle permet de connaître la hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube en fonction du rayon de ce dernier (figure 2).

Loi de Jurin : h = 2t / r

h : hauteur maintenue

t : tension superficielle de l’eau (constante) r : rayon du capillaire

En appliquant cette loi aux rayons des ménisques air-sève, les hauteurs théoriques obtenues sont bien supérieures aux plus hauts arbres. Il faut faire attention à ne pas confondre le rayon des micropores de la paroi avec celui des vaisseaux conducteurs dont la largeur, bien supérieure, ne permet pas de créer de si hautes colonnes d’eau.

Dans le xylème, la pression osmotique est négligeable puisque la sève brute est très diluée. La tension exercée au niveau des feuilles par l’évaporation est donc la seule composante du potentiel hydrique (Ψ); le potentiel hydrique étant une grandeur physique décrivant l’état de liaison et donc de disponibilité de l’eau. A l’état libre, son potentiel est de zéro. Plus il devient négatif, plus l’eau est liée et moins elle est disponible. C’est pourquoi plus l’eau s’évapore, plus la force de tension est importante et plus ce potentiel est négatif.

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c. Cohésion

Cette force ‘attractive’, ne peut expliquer à elle seule la montée de l’eau. Une propriété physico-chimique des molécules d’eau est essentielle à ce mécanisme, c’est leur forte cohésion intermoléculaire. Les liaisons hydrogène qui relient les atomes d’oxygène et d’hydrogène des différentes molécules d’eau sont très fortes et permettent une cohésion de l’eau, de la racine à la

cime, sous des tensions très élevées (Figure 3). Ces liaisons sont si puissantes qu’elles peuvent

résister aux fortes tensions auxquelles sont soumises les molécules d’eau dans les conditions naturelles. Ainsi sont formées dans les vaisseaux du xylème de grandes colonnes d’eau, maintenues par les fortes tensions des ménisques air-sève qui se créent à cause de l’évaporation.

Le moteur de la circulation de l’eau dans la plante est l’énergie solaire ou le vent sec qui provoquent l’évaporation en augmentant la sécheresse de l’air. On dit alors que l’arbre à une circulation ouverte puisque sa source d’énergie est externe et qu’il échange d’importants flux d’eau avec l’extérieur.

d. Analogie ohmique

En 1928, Hubert fait l’analogie entre la loi d’ohm et le flux d’eau dans la plante. Vingt ans plus tard Van Den Honert reprend cette théorie (Cruziat, 1995) (figure 4).

Loi d’ohm : U = RI Analogie : ∆Ψ = RI

U : tension ou différence de potentiel ∆Ψ : différence de potentiel hydrique R : résistance électrique R : résistance hydraulique

I : intensité ou débit d’électrons I : flux de la sève

Tout comme un courant électrique qui se déplace vers le potentiel électrique le plus fort, la sève fait de même vers le potentiel hydrique le plus négatif. Ainsi, en assimilant les différents organes d’une plante à des résistances, on peut modéliser le chemin de la sève.

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e. Les résistances hydrauliques

Chaque section de xylème peut être caractérisée par une résistance dont la valeur augmente avec la difficulté que l’eau a à y circuler. La valeur de cette résistance est, lorsque la plante est dans son état optimal, fonction de la composition et de la nature du bois.

Comme nous l’avons dit plus haut, les proportions entre les différents éléments constitutifs du bois varient selon les espèces. Or les trachéides et les vaisseaux, de par leur anatomie, n’ont pas la même résistance au flux de sève.

La résistance dépend du diamètre et de la longueur des éléments dans lesquels la sève circule. La loi de Poiseuille établie en 1844, met en relation la conductance (inverse de la résistance (R)) d’un fluide dans un cylindre en fonction du rayon (r) et de la longueur (l) du conduit (figure 5):

Loi de Poiseuille : R = (8ηl)/(πr4) η : viscosité du fluide

En théorie, un large conduit uniforme sera donc moins résistant d’autant plus qu’il est court. Les vaisseaux dont le diamètre est bien plus important que celui des trachéides offrent donc moins de résistance au passage de l’eau. Par contre, le xylème n’est pas un long conduit homogène, il est constitué d’éléments juxtaposés. Le passage entre chacun de ces éléments accroît la résistance du bois.

Lors de leur différenciation, les cellules des vaisseaux perdent leurs parois transversales qui les séparent les unes des autres pour former un tube quasi continu dans lequel la sève circule librement. Les trachéides, elles, gardent ces parois qui segmentent le conduit en plusieurs éléments. La sève y circule grâce à des pores de la paroi, mais moins aisément que dans les vaisseaux (figures 6). La résistance est donc encore accentuée dans les trachéides par rapport aux vaisseaux. Un arbre constitué uniquement de trachéides, comme les conifères, aura une plus forte résistance à la circulation de la sève qu’un arbre fait de bois hétéroxylé c’est-à-dire constitué d’un mélange de vaisseaux, de trachéide et de fibres.

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2. La cavitation et l’embolie estivale

a. Cavitation et embolie

L’une des causes principales de l’augmentation de la résistance des vaisseaux est le phénomène de cavitation qui embolise les vaisseaux, c’est-à-dire qui les remplit d’air, les rendant non fonctionnels (figure 7).

Au premier abord, il semblait que la cavitation était due à une tension suffisamment grande pour rompre les liaisons hydrogènes. Désolidarisées, les molécules d’eau se retrouveraient sous forme gazeuse. Mais en pratique, on observe des phénomènes de cavitation pour des tensions bien inférieures à la force théorique, qui pourrait briser les liaisons hydrogènes.

La théorie du ‘germe d’air’ de Sperry et Tyree (1988) apparaît donc comme plus probable. Soumise à une forte tension, l’eau liquide de la sève serait dans un état métastable. C’est-à-dire que l’eau est sous forme liquide alors qu’à la pression négative (on prend comme zéro la pression atmosphérique) à laquelle elle est soumise (entre –1 et –4 MPa), elle serait thermodynamiquement plus stable à l’état gazeux (figure 8). Cet état qui semble improbable s’explique par le fait que l’eau n’a pas reçu l’énergie nécessaire à son changement d’état. C’est à ce moment qu’intervient le ‘germe d’air’.

Une bulle d’air s’introduit dans un des éléments conducteurs. L’air peut provenir de l’extérieur par une blessure (insectes, broutage, tailles…) ou d’un vaisseau voisin déjà embolisé. Le xylème est organisé en conduits parallèles communicants entre eux par des ponctuations. Ce sont des îlots de paroi primaire poreuse dans les parois lignifiées des vaisseaux par lesquels la sève circule habituellement de vaisseau en vaisseau. Si un vaisseau est embolisé, et donc rempli d’air, il se passe au niveau des perforations le même phénomène qu’au niveau de la paroi des cellules de la chambre sous stomatique, c’est-à-dire la formation de ménisques air-sève entre le vaisseau embolisé et ses voisins remplis de sève. Lorsque la tension de la sève augmente, le ménisque est tiré du côté du vaisseau fonctionnel. Quand elle devient supérieure à la tension de capillarité dans le pore de la ponctuation, une bulle d’air s’introduit dans le vaisseau rempli de sève (figure 9).

Cette intrusion fournit l’énergie dont à besoin l’eau pour son changement d’état. Les molécules d’eau au contact de l’air se vaporisent à une pression de –1Pa (celle du vide, et la pression minimale à laquelle peut être soumis un gaz). Les quelques molécules gazeuses sous

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très forte tension, occupent tout l’espace disponible. Elles exercent une forte pression sur l’eau encore liquide, l’expulsant vers les vaisseaux voisins. Le vaisseau est alors rempli de vapeur d’eau. Le mécanisme que l’on vient de décrire est appelé la cavitation, celui d’embolisation lui succède. La pression du vaisseau va s’équilibrer avec celle de l’atmosphère. Le conduit va se remplir d’air dans lequel la vapeur d’eau sera dissoute. Il sera dit embolisé (figure 10).

Ces phénomènes de cavitation et d’embolie qui en résulte sont extrêmement rapides, de l’ordre de la microseconde, et ne sont pas dissociables dans le temps. C’est pourquoi ces deux termes sont souvent, par abus de langage, assimilés au processus entier.

Cette cavitation est dite estivale puisqu’elle est induite par une forte tension due à un déficit hydrique. On peut noter qu’il existe de l’embolie dite « hivernale », provoquée par le gel et le dégel de la sève, mais que nous ne détaillerons pas ici.

b. Les mécanismes qui limitent ce phénomène

L’embolie est un phénomène naturel et fréquent, c’est pourquoi les arbres ont développé des parades pour la limiter. L’anatomie du système vasculaire est fondamentale pour comprendre pourquoi les arbres ne succombent pas dès qu’une cavitation apparaît.

Le xylème possède trois caractéristiques essentielles qui le protègent : il est intégré, compartimenté et redondant.

Il est dit intégré car la sève de n’importe quelle racine peut atteindre n’importe quels rameaux, le système vasculaire des plantes ne forme qu’un seul réseau. Bien sûr, en condition d’hydratation correcte, il existe un trajet de moindre résistance entre une racine et un rameau donné. Mais en cas de stress hydrique, la partie la mieux hydratée des racines alimentera des zones de l’arbre quelle n’hydrate pas habituellement pour compenser le système racinaire déficient.

Bien que le xylème ne forme qu’un seul réseau, ces éléments sont compartimentés. Il existe de nombreux vaisseaux reliés entre eux par les ponctuations perméables à la sève mais beaucoup moins à l’air. Elles ralentissent donc la propagation d’une embolie en la confinant à l’élément touché. Bien entendu comme nous l’avons expliqué plus haut à partir d’une certaine tension, elle

devient perméable à l’air. Au sein d’un même vaisseau, il existe plusieurs éléments

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compartimentation du réseau de xylème est un moyen de limiter une embolie généralisée immédiate qui serait fatale à la plante (figure 11).

Enfin la redondance des chemins que la sève peut emprunter, lui permet de contourner l’embolie, tant qu’elle n’est pas trop importante. En augmentant le flux de sève qui passe dans les autres vaisseaux, l’embolie augmente la résistance de ceux-ci et donc, par analogie avec la loi d’Ohm, diminue le débit. L’arbre est donc moins bien hydraté (figure 12).

A plus long terme, si des circuits de vaisseaux sont complètement embolisés, ils seront remplacés lors de la croissance par la mise en place de nouveaux conduits.

c. Détection de l’embolie

Il existe un certain nombre de manière de détecter l’embolie et certains ont permis de faire avancer considérablement la recherche à ce sujet lors des dernières décennies.

La première fut proposée par Milburn dans les années soixante (Milburn et Johnson, 1966). Il a eu l’idée de détecter la cavitation par le bruit qu’elle produit. Sa méthode de détection ne s’appliquait qu’aux sons audibles. Mais plus tard, en 1983, Tyree et Dixon développent un moyen de détecter les émissions ultrasoniques des végétaux. La méthode acoustique bien que qualitative, n’est pas quantitative.

Depuis, d’autres méthodes ont permis de quantifier le taux d’embolie des rameaux.

Le principe de la méthode hydraulique fut mis au point par Sperry en 1988 et repose sur l’analogie avec la loi d’Ohm.

Plus complexe, la méthode cryogénique consiste à congeler l’échantillon choisi grâce à de l’azote liquide afin de le figer, permettant ainsi, d’observer le contenu des vaisseaux au microscope à balayage électronique. Cette technique assez lourde permet néanmoins de localiser l’embolie de manière précise, et de la détecter dans les organes trop petits pour l’être par la méthode hydraulique (nervures, racines fines).

A l’aide de ces techniques, de nombreuses études ont été réalisées sur la cavitation. En 1986, Tyree démontre expérimentalement le lien entre la cavitation et des valeurs fortement négatives de potentiel hydrique. Il prouve ainsi la corrélation qu’il existe entre une importante tension et le phénomène d’embolie (Tyree et al., 1986).

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De multiples travaux sur le taux d’embolie ont été réalisés sur un large spectre d’espèces d’arbres, notamment ceux de Cochard qui étudie le xylème et ses disfonctionnements depuis1990. Dans son mémoire d’Habilitation à Diriger des Recherches de 2002, il conclut que le taux de vulnérabilité à la cavitation, caractérisé par l’évolution du degré d’embolie en fonction du potentiel hydrique auquel la sève est soumise, varie de manière significative selon les espèces et même selon les génotypes.

En 1983, les travaux de Zimmermann l’ont conduit à dire qu’il existe au sein même de l’arbre une différence de vulnérabilité selon les organes. A chaque niveau de ramification, le diamètre des vaisseaux diminue ce qui augmente la résistance de ces derniers au flux de sève. Les potentiels hydriques sont donc de plus en plus négatifs lorsque l’on s’éloigne du tronc. Pour certains scientifiques, cette ‘segmentation’ de l’arbre agirait comme un moyen de protection face au phénomène de cavitation. Des études sur le noyer (Cochard, 2002) ont montré que les pétioles de cet arbre étaient bien plus vulnérables que la tige qui les porte. En effet, alors que les pétioles sont totalement embolisés, la tige ne montre aucun signe de cavitation. Totalement desséchées, les feuilles tomberaient, diminuant la transpiration et donc la tension à l’origine de l’embolie. De telles différences de tensions qui pourraient être à l’origine de ce mécanisme n’ont été observées théoriquement que sur certaines espèces d’arbres qui se seraient ainsi adaptés à la sécheresse (Rood et al.,1999).

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III. Matériel et Méthodes

1. Matériel

Cette étude a été conduite sur 8 génotypes de peuplier : six hybrides de Populus deltoïdes x

Populus nigra : Carpaccio, Dorskamp, Flévo, I-214, Koster et Soligo, un hybride Populus tremula x Populus alba : 717-1B4 et un hybride Populus trichocarpa x Populus deltoïdes :

Beaupré (figure 13).

Des boutures de ces clones ont été plantées le 12 Février 2008 en serre dite « chaude » car la température y est maintenue au dessus de15°C toute année et la lumière supplémentée en hiver. Le substrat était composé d’un mélange de 50% de tourbe et de 50% de sable et supplémenté d’engrais complet à relargage lent (Nutricote T100 13-13-13-2 + oligoéléments). Les boutures ont été plantées dans des pots de 3L.

Les tiges ont été recepées deux mois plus tard, le 18 avril afin d’en obtenir des nouvelles avec un bon enracinement. A cette occasion, les plants ont aussi été transplantés dans des pots de

10L et transférés dans deux chapelles d’une serre plus grande dite « CO2 » (figure 14). Ces serres

ont été choisies pour des raisons pratiques, le fait que l’on puisse y contrôler la concentration en

CO2 atmosphérique est sans rapport avec l’étude.

Sur les 96 plants, douze de chaque génotype, la moitié a été soumise à un stress hydrique en maintenant l’humidité volumique du sol à 9%, soit 25% de la réserve en eau disponible dans le pot pour la plante. A partir d’une corrélation entre le poids et l’humidité volumique, une pesée journalière et un arrosage contrôlé 4 fois par jour ont permis de maintenir le déficit hydrique souhaité. La sécheresse a été imposée pendant deux semaines, du 28 mai au 11 juin. La récolte a eu lieu le 11 juin.

2. Mesure du taux d’embolie

a. Théorie

Par définition, le taux d’embolie ou pourcentage de perte de conductance du xylème, (PLC, Percentage of Loss of Conductivity) est donné par la relation :

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La conductance hydraulique (K’) d’un segment de l’arbre (tige, pétiole, feuille…) est mesurée dans son état initial, puis est comparée à sa conductance à l’état natif (K), c’est-à-dire celle du segment lorsqu’aucun de ses vaisseaux n’est embolisé. Cette conductance native est estimée par une mesure de la conductance maximale (K) après avoir désembolisé les vaisseaux des échantillons en leur injectant de l’eau sous haute pression. En effet, l’eau expulse les bulles d’air responsable de l’embolie. La fonctionnalité des conduits est alors restaurée au maximum de leur capacité.

La conductance hydraulique, qu’elle soit initiale ou maximale, est définie par à l’analogie ohmique. C’est le rapport entre le débit d’eau (I) et la différence de potentiel hydrique (∆Ψ) entre les bornes d’entrée et de sortie du segment considéré.

K = 1/R = I/∆Ψ

Le gradient de potentiel hydrique est égal à la somme du gradient de pression hydrostatique et du gradient de pression osmotique. La solution utilisée étant très diluée, la pression osmotique est négligeable. La pression atmosphérique étant le référentiel en ce qui concerne la pression hydrostatique (point zéro), la différence de pression hydrostatique, et donc le gradient de potentiel hydrique, est égale à la pression de l’eau que l’on injecte dans le xylème.

Les variations de température ont une forte influence sur la conductance hydraulique. Une relation empirique permet de corriger les mesures en exprimant un équivalent de conductance à 20°C :

K20°C=KT*3.4939*(9.3252+(54.2176-T)1/2)/(T+32.7425)

b. En pratique

Le taux d’embolie peut être mesuré dans tous les organes de la plante, mais le pétiole a été choisi car contrairement aux autres, il ne fait pas partie des tissus récoltés pour les analyses génomiques.

Les pétioles sont coupés sous l’eau pour éviter d’ajouter de l’embolie et sont ramenés à une longueur d’environs 2 cm. Ils sont alors connectés à la sortie du Xyl’em (Bronkorst, France), un

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conductimètre qui permet la mesure des conductances hydrauliques (photo 15.1). Cette opération doit être effectuée délicatement et avec un circuit ouvert afin de ne pas désemboliser les échantillons.

Les échantillons sont placés dans un bac d’eau rempli entre 1.5 et 2.5 cm de hauteur pour

une surface de 29x80 cm2 afin de conserver une température à peu près constante durant les

mesures (photo 15.2).

La solution utilisée pour les mesures de flux dans l’échantillon est de l’eau déminéralisée

additionnée de 10mM de KCL et 1mM de CaCl2 afin de limiter l’obstruction des éléments

conducteurs en se rapprochant de la composition de la sève. Elle est ensuite dégazée pour éviter que des bulles d’air ne s’y créent et n’embolisent les vaisseaux pendant les mesures.

La pression utilisée pour les mesures de conductance (initiale ou maximale) doit être très faible pour ne pas risquer de désemboliser l’échantillon. Nous avons utilisé une pression d’environ 50 mbar, ce qui équivaut à placer le niveau d’eau du réservoir basse pression autour de 50 cm au dessus du niveau de l’eau dans laquelle baignent les échantillons (photo.15.3).

La température de l’eau dans laquelle les échantillons sont placés varie entre 19 et 22°C, elle est mesurée en permanence par un thermocouple et la conductance est directement corrigée en fonction de la température par le Xyl’em. Pour plus de précision, nous jonglons entre un fluxmètre interne d’une capacité maximale de 20g/h et un externe de 5g/h.

Pour désemboliser les échantillons, nous les soumettons à un flux d’eau sous une pression de 1 bar durant 5 secondes. Nous les laissons ensuite reposer pendant 6 minutes avant de mesurer la conductance maximale avec le flux basse pression. Ce temps de repos permet une relaxation des tissus, et est nécessaire avant toute mesure de flux basse pression. Ces « flushs » de désembolisation sont réitérés jusqu’à ce que la conductance maximale n’augmente plus significativement.

c. Embolisation contrôlée

Nous avons soumis des tiges de plusieurs clones à une pression d’environ 17 bars dans une chambre à pression (Figures 16 et 17). Nous les y avons laissés jusqu’à ce que la sève ne coule plus pour créer un taux d’embolie correspondant à un potentiel de -17bar. Ensuite nous avons mesuré le PLC sur plusieurs pétioles de chaque rameau.

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IV. Résultats

1. études préliminaires

Sur les trois tiges de Dorskamp, de Carpaccio et de I-214 que nous avons pressurisées à 17 bars, nous constatons une augmentation du taux d’embolie en fonction du rang de plus en plus élevé des feuilles (figure 18).

Pour des feuilles de rang inférieur à 5, c’est-à-dire pour les cinq premières feuilles en partant du bourgeon apical, les PLC mesurées sont inférieures à 10%. Pour le pétiole de rang 4 du Dorskamp, nous obtenons un taux d’embolie négatif. En fait, le flux d’eau qui traverse le pétiole peut induire des réactions biochimiques contribuant à obstruer les vaisseaux, c’est pourquoi lorsque les vaisseaux sont peu ou pas embolisés au départ, il arrive de mesurer une conductance initiale plus forte que la conductance maximale. Les PLC négatifs sont considérés comme un taux d’embolie de 0%.

Les PLC augmentent plus ou moins progressivement avec le rang des feuilles pour se stabiliser aux alentours du rang 8, au niveau des feuilles matures. Sur le Dorskamp, un début de

stabilisation s’effectue autour de 70% d’embolie. Pour le Carpaccio, un palier est atteint autour

des 90% de PLC. Il n’y avait pas assez de feuilles matures sur le I-214 pour observer un palier. Sur la tige de Dorskamp quatre pétioles de l’extrémité basale de la tige ont été prélevés sous eau, afin de prévenir la formation d’embolie par la coupure, avant de la pressuriser. Le PLC de ces pétioles matures avoisine également les 80% de d’embolie, ce qui est proche du taux d’embolie mesuré sur des feuilles également matures de cette tige, mais après pressurisation à 17 bars.

La même expérience fut réalisée sur une tige de Koster (Figure 19). Le profil de PLC le long de la tige, en fonction du rang foliaire est très différent de celui trouvé pour les 4 autres clones testés. Les PLC mesurés sur les pétioles de la tige pressurisée sont tous faibles (moins de 15%) voir négatif. D’autre part la conductance hydraulique maximale mesurée est très faible,

inférieure à 1 mmol s-1 Mpa-1 (figure 20). Le taux d’embolie des pétioles de cette même tige

coupés sous eau avant qu’elle soit pressurisée oscille autour de 35% pour deux d’entre eux et est de 8% pour le troisième. La nature du clone n’est donc pas en cause puisque les mesures sur les pétioles témoins montre qu’il est embolisable. A l’issue de la pressurisation, il est nécessaire

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d’attendre que les tissus se relaxent avant de faire des mesures de conductance. Sur cette tige, nous avions réduit le temps de relaxation d’une nuit à 4 heures. Les quatre heures ont été manifestement trop courtes pour que les tissus retrouvent un état normal.

La conductance maximale (mesurée après désembolisation par un « flush » à haute pression), des pétioles des deux expériences précédentes dépend elle aussi du rang des feuilles (figure 20). Hors mis le cas Koster à cause de l’insuffisance du temps de relaxation, la conductance maximale des pétioles augmente significativement avec l’âge des feuilles, passant de moins de 0,5 mmol s-1 MPa-1 dans les plus jeunes à plus 3 mmol s-1 MPa-1 pour le Dorskamp, près de 6 mmol s-1 MPa-1 chez le Carpaccio et plus de 7 mmol s-1 MPa-1 sur le I-214.

Le taux d’embolie trouvé pour les quelques pétioles de Dorskamp coupés sous eau étant surprenant, nous avons mesuré le taux d’embolie dans les pétioles de différents clones : Soligo, Carpaccio, Koster, Flévo, Beaupré et 717-1B4 (figure 21). Les pétioles matures ont été coupés sous eau sur des plants correctement hydratés. Exceptés pour Koster et Flévo, pour lequel nous n’avons qu’une mesure, les PLC sont très variables au sein d’un même plant, allant pour le Soligo de 0% à près de 80% d’embolie. Sur tous les clones, sauf Koster où le PLC était de zéro, un taux d’embolie supérieur à 60% a été trouvé pour au moins un pétiole.

2. Taux d’embolie dans 4 génotypes de peuplier

Dans le cadre du projet Popsec, nous avons comparé le taux d’embolie de quatre clones de peuplier : Carpaccio, Soligo, Beaupré et 717-1B4. Pour chaque clone, nous avons mesuré le PLC sur un (ou deux) pétiole(s) de 6 témoins et 6 plants soumis à la sécheresse (figure 22).

Dans tous les cas, pour un même clone soumis au même traitement, la même variabilité du taux d’embolie que lors du test précédent a été trouvée, avec un PLC allant de 0 à 65%. Le cas le plus extrême est celui des 717-1B4 soumis à la sécheresse dont le taux d’embolie varie entre 4 et 97%. Cette distribution des PLC sur une si grande gamme est illustrée par l’amplitude des écarts types de la moyenne. Les écarts types oscillent entre 25% pour les Soligo soumis à la sécheresse et 40% pour les 717-1B4 en stress hydrique. Les moyennes calculées fluctuent entre 32 à 56% d’embolie.

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Nous avons estimé la surface de la section du pétiole grâce aux mesures de leur diamètre. Certains pétioles ayant une forme aplatie, nous avons estimé un diamètre moyen à l’aide de la mesure de la plus large et de la plus petite largeur du pétiole.

La représentation de la conductance hydraulique maximum en fonction de la surface estimée de la section du pétiole, plus ou moins proportionnelle à la surface de tissu vasculaire « conducteur », (figure 23) montre une corrélation positive entre les deux paramètres. Cette relation logique « attendue » élimine l’hypothèse que la mesure soit un artéfact liée à une fuite non contrôlée au niveau du circuit de mesure.

V. Discussion

1. Etudes préliminaires

Afin de mesurer le taux d’embolie dans les pétioles des plants de l’expérience « Popsec » le jour de la récolte, deux objectifs constituaient la première partie du stage : apprendre la théorie puis la pratique de la mesure de l’embolie afin de devenir autonome et de tester la faisabilité de ces mesures sur les pétioles de peuplier. Pour s’entraîner à mesurer des pourcentages d’embolie (PLC) importants, nous avons embolisé volontairement les vaisseaux en pressurisant des tiges ou même directement en injectant de l’air dans des pétioles excisés à l’aide d’une pompe à vélo. En effet, l’une des principales difficultés lors de l’utilisation du Xyl’em est de risquer de désemboliser les vaisseaux lors de la fixation des échantillons. La moindre surpression peut évacuer les bulles de la section de tige ou de pétiole et ainsi désemboliser partiellement ou totalement les vaisseaux.

Des taux d’embolie dépassant les 85% mesurés régulièrement furent interprétés, à cette époque, comme une preuve que la fixation des vaisseaux se déroulait sans encombre. Nous n’avions malheureusement pas envisagé les risques d’embolisation par des bulles d’air dans le circuit. Pendant cette phase de tests, nous avons mesuré le PLC des pétioles de feuille le long d’une tige, y compris dans ceux des feuilles en croissance. Plus les feuilles sont jeunes, plus la conductance maximale de leur pétiole est faible et moins ils sont vulnérables à l’embolie Cette faible vulnérabilité pourrait s‘expliquer par le fait que, dans ces pétioles en croissance, les

17

vaisseaux ne sont pas encore mâtures mais toujours des cellules vivantes. La conductance des pétioles augmente fortement lors de la différenciation des vaisseaux, c’est-à-dire la mort de ces cellules et la création de conduits mis bout à bout, fortement conducteurs mais aussi vulnérables à l’embolie.

Le test réalisé sur le plant de Dorskamp c’est-à-dire la mesure du taux d’embolie dans des pétioles coupés sous eau de plants correctement alimentés en eau, n’a pas donné les résultats attendus. En effet, alors que les taux d’embolie mesurés après pressurisation à 17 bars étaient cohérents (élevés car pressurisés), nous attendions un taux d’embolie proche de zéro pour ces « témoins ». Or nous avons mesuré des PLC plus élevés sur les pétioles non pressurisés que sur ceux soumis à une pression de 17 bars. Le résultat de ce test, effectué un peu tardivement, a remis en question la réalité des mesures. Que mesurions-nous ? Ces pétioles témoins étaient-ils vraiment embolisés ?

Le problème soulevé précédemment nous a conduit à tester le taux d’embolie sur les pétioles des différents clones, en conditions non stressées, coupés sous eau. D’autre part, compte tenu de la variabilité de forme de la section et de taille des pétioles, cela nous permettait de tester l’étanchéité de la connexion des pétioles au Xyl’em. Nous avons donc prélevé sous eau des pétioles de plants hydratés. Les résultats obtenus ont confirmé ceux obtenus dans les premiers test. Le taux d’embolie était très élevé pour des plants hydratés. Après avoir vérifié que le mode de prélèvement n’était pas en cause et que les pétioles étaient bien sous l’eau lorsqu’ils étaient coupés, nous avons imaginé un problème de bulles d’air dans notre circuit. Ces dernières peuvent emboliser les échantillons au moment de la mesure et expliquer nos résultats. En effet, nous sommes rendu compte que je ne mettais pas le Xyl’em verticalement lors du remplissage du réservoir interne et que des bulles d’air coincées en son sein pouvaient être la cause d’embolisation des échantillons. Le circuit d’eau fut alors intégralement vérifié et libéré de toutes bulles d’air. Le jour de la récolte arrivant, mercredi 11 juin, espérant que le problème était résolu, nous avons tout de même tenté les mesures d’embolie dans quatre des 8 clones de peuplier du projet Popsec.

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2. Taux d’embolie dans 4 génotypes de peuplier

Au sein de chaque groupe génotype-traitement, la trop grande variabilité des PLC (autour de 30% d’écart type) ne permet pas de comparer les différents clones ni d’observer un effet du traitement appliqué. Contrairement à nos espoirs, le problème soulevé lors de la phase de test n’a pas été résolu. Il n’y a aucune tendance de taux d’embolie plus fort chez les plants soumis à un stress hydrique par rapport à ceux qui furent bien hydratés. Pourtant en théorie, les réserve en eau étant plus faibles dans le sol, la tension de l’eau dans les vaisseaux se fait plus grande et les risques de cavitation sont accrus. Nos résultats sont incohérents. Afin de trouver l’origine du problème, nous avons analysé les données disponibles dans l’optique de tester l’hypothèse suivante : « Nous ne mesurons pas la conductance du xylème mais une grandeur non identifiée ».

Selon la loi de Poiseuille, la conductance d’un conduit est fonction du rayon de celui-ci.

La longueur des échantillons ayant été quasi-constante (20 mm), la conductance est

proportionnelle au du rayon à la puissance 4. Nous avons alors analysé la conductance maximale de nos pétioles en fonction de la surface de leur section. Cette dernière étant fonction du diamètre, il est logique que la conductance maximale soit corrélée à cette surface. Cette corrélation positive montre que nos mesures de conductance ne sont pas aléatoires et qu’elles fonctionnent bien.

La variabilité de taux d’embolie mesuré ne semble pas être due à des erreurs de manipulation ni à des problèmes techniques de notre instrument de mesure. L’anatomie du pétiole et notamment du pétiole de peuplier peut être mise en cause. Nous supposons qu’il existe peut-être au sein des pétioles de peuplier une autre voie que celle du xylème par laquelle l’eau circule après le « flush ». La présence d’un tissu lacuneux, plus au moins conducteur selon la taille des poches d’air et remodelable lors des flushs à haute pression, pourrait expliquer cette variabilité du Ki et du Kmax. Lors des mesures de conductance, l’eau circulant à basse pression ne circulerait plus uniquement dans le xylème mais aussi par ces nouvelles voies. Malheureusement, nous n’avons pas eu le temps de tester cette hypothèse en effectuant des coupes histologiques des pétioles.

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VI. Conclusion

La phase préparatoire nous a permis de constater qu’il y avait une corrélation entre l’âge des feuilles et le taux d’embolie au sein de leur pétiole. La différenciation du xylème n’étant pas totalement aboutie dans les jeunes pétioles, les tissus vasculaires ne sont pas tous encore matures et les phénomènes de cavitation y sont donc plus rares. C’est pourquoi il est nécessaire, pour pouvoir comparer des taux d’embolie induits par un stress hydrique, de réaliser les mesures sur des pétioles de feuilles matures.

Les mesures de taux d’embolie sur les pétioles de peupliers n’ont pas abouties. Il semblerait que nous ne mesurons pas la conductance hydraulique dans les vaisseaux du xylème. Une hypothèse expliquant l’incohérence des données mettrait en cause l’anatomie de ces pétioles. Nous supposons que la présence de tissu lacunaire dans les pétioles pourrait être une autre voie de passage de l’eau, aléatoirement ouverte selon l’échantillon. L’hétérogénéité de la répartition des poches d’air serait la cause de la grande variation des PLC obtenus. De plus ce tissu serait remodelé lors des flushs libérant de nouvelles voies et expliquant les forts taux d’embolie mesurés sur des plants non stressés. Une étude plus approfondie des différents paramètres pouvant être responsable de ces anomalies permettrait de comprendre les causes de ces résultats incohérents. Malheureusement, faute de temps nous n’avons pas pu confirmer ou infirmer notre hypothèse grâce à une analyse histologique. Dans le cas où du parenchyme lacuneux ne serait pas présent, une autre origine devra être recherchée. Une analyse de la conductance hydraulique et du PLC sur d’autres organes comme la tige ou les racines nous indiqueraient si le pétiole est le seul concerné par ces problèmes de mesures. L’utilisation d’autres méthodes de détection telle que la méthode cryogénique permettrait également d’avoir accès au taux d’embolie.

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Références

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la compréhension des relations hydriques dans la plante, mémoire d’Habilitation à Diriger Des

recherches

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♦ Cruziat P., avril 1995 L’architecture hydraulique des arbres : une introduction, « l’eau dans la vie de l’arbre », contre-rendu d’une école chercheur : le groupe d’Etude de l’arbre

♦ Hopkins W. G., 2006, Physiologie végétale, Chapitres anatomie de la conduction

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72, pages 1094-1099

♦Tyree M. T., Fiscus E. L., Wullschleger S. D. et Dixon M. A. ,1996, Detection of

xylem cavitation in corn under field conditions, Plant Physiology volume 82, pages 597-599 ♦Zimmermann M. H., 1983, Xylem structure and the ascent of sap, Springer Verlag,

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Conclusion générale

Je suis, bien entendu, un peu déçue que la mise au point technique de la mesure du taux d’embolie dans les pétioles n’aie pas abouti et par là même de ne pas avoir pu contribuer au projet Popsec. Ces problèmes m’ont tout de même permis de concevoir à quel point la science du vivant était une science dont il reste beaucoup à découvrir. En effet, compte tenu de la diversité du vivant et donc de la complexité et du nombre de paramètres à prendre en compte, la modélisation que nous en faisons est encore trop simplifiée et ne rend pas compte de toute sa variabilité. Les données nécessaires à une telle modélisation sont encore à découvrir mais c’est surtout au niveau du traitement d’un si grand nombre de données et de paramètres que des progrès doivent être fait, notamment au niveau informatique. Paradoxalement, les problèmes survenus lors de cette expérience m’ont donné le goût de la recherche et de ces nombreux problèmes à résoudre.

Au contact des chercheurs, j’ai pu me faire une idée plus précise et réaliste de ce métier. Cette vision plus réaliste de la recherche va du choix d’un sujet à la recherche au financement pour l’exécuter, ces deux points étant fortement liés et fonctionnant souvent dans l’autre sens puisque, de plus en plus, ce sont les financeurs qui orientent la recherche, en passant par l’exécution et l’analyse des résultats. Bien entendu en cinq semaines tout ceci ne fut qu’un aperçu et je crois que des dimensions de ce travail m’échappent encore, particulièrement en ce qui concerne l’élaboration d’un protocole et tout le travail préparatoire qui l’accompagne.

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Figure 1 : circulation de l’eau dans l’arbre

L’eau absorbée au niveau des racines circule via les vaisseaux conducteurs du xylème. Elle passe entre les différents éléments par les ponctuactions et les perforations. Arrivée dans les feuilles, elle s’évapore au niveau des espaces sous-stomatiques

Si d < 0.1µm : H>300m H H d d

Figure 2: schéma de la capillarité, à droite. A gauche, application de la capillarité à la plante. Le schéma représente les pores de la paroi pectocellulosique est la colonne d’eau que tous les ménisques additionnés peuvent supporter.

(cours de master d’hydraulique de Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot)

Figure 3 : liaison hydrogène entre deux molécules d’eau (w3.umh.ac.be/chimie/docs/studs03-04/MPalmucci/hydrogene.html) Absorption ΔΨ Rleaf Rstem Rroot Ψleaf = -0.7 MPa Ψroot = -0.2 MPa 1/g_sw R_soil-root

Figure 4 : Analogie Ohmique

Chaque organe de la plante est caractérisé par une résistance et un potentiel hydrique. L’eau se déplace en suivant les potentiels les plus négatifs

(tirée du cours de master d’hydraulique de Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot )

Figure 5 : Loi de Poiseuille

(chimix.com/pages/fluide.htm)

Figure 6 : structure des trachéides à gauche, structure des vaisseaux à droite

Les points le long des éléments conducteurs sont des ponctuations et à chaque extrémité des perforations. Ces « trous » permettent le passage de la sève entre les différents éléments.

(cours de master d’hydraulique de Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot) Vaisseaux fonctionnels Forte conductivité Vaisseaux fonctionnels Forte conductivité Début d’embolie Baisse de conductivité Début d’embolie Baisse de conductivité Début d’embolie Baisse de conductivité Embolisation complète Conductivité nulle Embolisation complète Conductivité nulle Embolisation complète Conductivité nulle 25

Figure 7 : augmentation de la résistance et perte de conductivité dans des vaisseaux selon le degrés d’embolie.

Figure 8 : diagramme des états de l’eau en fonction de la température et de la pression Figure 9 : embolisation d’un vaisseau à partir d’un premier vaisseau déjà embolisé.

La tension de la sève augmente en tirant les ménisques vers le vaisseau fonctionnel. Lorsque la tension devient supérieure à la tension de capillarité des pores, une bulle d’air s’introduit. Elle vaporise les molécules d’eau sous fore tension à son contact. Puis la pression entre les deux vaisseaux s’équilibre à la pression atmosphérique, la vapeur d’eau est dissoute dans l’air entrant.

(La recherche N°220 page 408, volume 21)

Vaporisation

CAVITATION _EMBOLISATION Diffusion d ’air

eau à l’état

métastable eau (vapeur) à l ’état stable_{(-0 1 MPa vide)} eau (vap.) + air _{l ’état stable}

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Figure 10 : résumé schématique de la cavitation et de l’embolie

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Début

d’embolie

Baisse de

conductivité

Début

d’embolie

Baisse de

conductivité

Début

d’embolie

Baisse de

conductivité

Figure 11 : Compartimentation : limitation de l’embolie à un compartiment

(cours de master d’hydraulique de Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot )

Figure 12 : Redondance

A : non redondant, la sève ne circule plus

B : redondant, la sève empreinte des chemins annexes

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Figure 13 : Feuilles des différents clones de peuplier étudiés.

De gauche à droite et de haut vers bas, Carpaccio, Dorskamp, Flévo, I-214, Koster, Soligo, 717-1B4, Beaupré.

30

5

1

2

Figure 15 : le xy’em et son installation.

15.1 : sorti du xyl’em où l’on fixe les échantillons 15.2 : bac où baignent les échantillons

15.3 : réservoir d’eau basse pression 15.4 : le xyl’em

15.5 : logiciel d’aide au fonctionnement du xyl’em

4

31

Figure 16 : Chambre à pression ( itv-midipyrenees.com/publications/fiches-pratiques/estimation-etat-hydrique.php)

Figure 17 : Chambre à pression

A droite, la tige est coupée à l’air libre, ce dernier est aspiré dans les vaisseaux sous tension. (En coupant les tiges sous l’eau, l’embolie ne peut pas se crée comme ici puisque c’est de l’eau qui entre dans les vaisseaux.)

A gauche, la tige est placée dans une chambre avec son extrémité à l’air libre. En augmentant la pression dans la chambre, l’air compresse le rameau et donc les vaisseaux de xylème et fait ressortir la sève par l’extrémité de la tige. Lorsque la tige est sortie de la chambre, l’air vient remplacer la sève évacuée dans les vaisseaux. De l’embolie est ainsi créée.

Figure 18 : taux d’embolie en fonction du rang folliaire dans des pétioles de Dorskamp (D), Carpaccio (C) et I-214 (I).

Les rangs des feuilles sont numérotées dans l’ordre croissant à partir de l’extrémité apical de la tige.

Les points bleus sont les témoins. Les pétioles de plants hydratés ont été coupés sous eau. Les points rouges sont les résultats obtenus sur des pétioles prélevés sous eau, d’un rameau pressurisé à 17 bars.

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Figure 19: Taux d’embolie en fonction du rang foliaire dans des pétioles de Koster. Les 5 premiers points correspondent aux pétioles de la tige pressurisée Les 3 derniers ont été coupés sous eau avant la pressurisation

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Figure 20: Conductance maximale en fonction du rang foliaire dans des pétioles de Dorskamp (D), Carpaccio (C), I-214 (I) et de Koster (K).

Les couleurs ont la même signification que dans la figure précédente.

Pour Koster du rang 5 à 13 les pétioles ont été pressurisés à 17 bars, du rang 15 à 17, ce sont les témoins coupés sous eau.

Figure 21: taux d’embolie de pétioles de plants hydraté de plusieurs génotypes de peuplier (S :Soligo,C : Carpaccio, K : Koster, F : Flévo, B : Beaupré, 7 : 717-1B4). Les pétioles ont été récoltés sous eau sur le même plant pour chaque clone.

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Figure 22: taux d’embolie en fonction du clone (C : Carpaccio, S : Soligo, B : beaupré, 7 : 717-1B4) et du traitement qu’il a subi (Tem : témoin suffisamment hydraté, Sec : plant soumis à un stress hydrique).

Ο PLC mesuré par échantillon

ν Moyenne des PLC

Les traits représentent les écarts types

Figure 23: Conductance maximale (Kmax) en fonction de la surface estimée de la section du pétiole sur quatre clones : Carpaccio, Soligo, Beaupré et 717-1B4