UNIVERSITE BLAISE PASCAL – CLERMONT-FERRAND II UFR Sciences et Technologies
MASTER I Biologie et Environnement
SPECIALITE : Génomique, Ecophysiologie et Production Végétale RAPPORT DE STAGE PRESENTE PAR :
Jérémy RIVIERE
Mise en place d’une méthode de mesure de la vulnérabilité à la cavitation des tiges de poacées
prairiales
Laboratoire d’accueil
Encadrement
UREP-INRA Site de Crouël
5, Chemin de Beaulieu
63039 CLERMONT-FERRAND cedex 2 - FRANCE
Expérimentation
PIAF-INRA Site de Crouël 5, Chemin de Beaulieu 63039 CLERMONT-FERRAND cedex 2 - FRANCE
Responsables
Mme Catherine PICON-COCHARD Tél : (+) 33 473 62 45 84 Email : picon@cleront.inra.fr
M. Hervé COCHARD Tél : (+) 33 473 62 44 71 Email : cochard@clermont.inra.fr
Remerciements
Je tiens à remercier Pascal CARRERE et Jean-Louis JULIEN, respectivement directeur de l’UREP et directeur du PIAF pour m’avoir accueilli au sein de leurs unités où j’ai pu entreprendre cette étude sur l’hydraulique des graminées prairiales.
Je remercie également Mme Catherine PICON-COCHARD, Chargée de Recherches au sein de l’UREP pour m’avoir proposé ce sujet ainsi que pour son encadrement tout au long de ce stage. Je remercie de la même manière, Hervé COCHARD, Directeur de Recherches de l’équipe HYDRO au sein du PIAF pour sa disponibilité, ses cueillettes d’espèces « sauvages » et la transmission d’une partie de ses connaissances sur l’hydraulique des végétaux et les méthodes de mesures.
J’adresse un grand merci à Pierre CONCHON, technicien, et Christian BODET, assistant ingénieur, pour la patience et le partage des techniques d’expérimentation qu’ils m’ont offert ainsi que pour leur bonne humeur permanente.
Enfin, je remercie toutes les personnes que j’ai côtoyées durant cette étude pour avoir fait de ces quelques mois passés un réel plaisir et un enrichissement singulier.
« No bubbles no leaks »
HYDRO motto
Résumé
A l’heure du réchauffement planétaire, les épisodes climatiques extrêmes se voient de plus en plus réguliers. Parmi eux, la sécheresse touche de manière récurrente la France et ses productions agricoles. Dans cette optique, au sein de l’UMR PIAF de l’INRA de Clermont- Ferrand et en collaboration avec l’UREP de l’INRA de Clermont-Ferrand, nous avons essayé de mettre en place une méthode de mesure de la vulnérabilité à la cavitation des tiges de poacées prairiales. Ce travail s’est articulé autour de divers appareils de mesures utilisés sur les ligneux dont le Xyl’em, commercialisé par Bronkhorst® et dont l’INRA possède la licence, ainsi que le Cavitron, appareil permettant d’induire une embolisation artificielle des vaisseaux de xylème dans des tiges végétales tout en mesurant simultanément leur embolisation. Nous avons également cherché à obtenir des premiers résultats concernant la capacité de quelques poacées prairiales à résister à la cavitation en étudiant le lien possible ou non avec leur capacité de résistance à la sécheresse. Nous avons conclu à une méthode permettant de mesurer la vulnérabilité de nombreuses poacées prairiales à la cavitation et nous avons également obtenu des résultats qui semblent en lien avec la résistance à la sécheresse des espèces testées.
Mots clefs : cavitation, graminées, embolie, xylème
Abstract
In a global warming time, extreme weather events are becoming more frequent. Particulary, the drought touch repeatedly the French country and its agricultural production. So, in the UMR PIAF of INRA at Clermont-Ferrand, we tried to develop a method to measure the vulnerability to cavitation of rods grassland Poaceae. This work is structured around various measuring devices used on wood, whose the Xyl’em apparatus, sold by Bronkhorst® and whose licence has INRA, also the Cavitron, device for inducing artificial embolization of xylem vessels in plant stems while simultaneously measuring their embolization. We also tried to obtain results regarding the ability of some Poaceae to resist at cavitation phenomenon by studying in the same time the possible link or not with an ability resilience to drought.
We entered a method to measure the vulnerability to cavitation of many grassland Poaceae and we also obtained results which seem to link with the ability of species resilience to drought.
Liste des abréviations
ABA : Acide Abscissique
HYDRO : Equipe de recherche de l’UMR PIAF sur l’Hydraulique et la résistance à la sécheresse
INRA : Institut National français de la Recherche Agronomique
MEA : Equipe de recherche de l’UMR PIAF sur les Micros-Environnement et Arbres
MECA : Equipe de recherche de l’UMR PIAF sur les Contraintes Mécaniques et les activités des zones en croissance
OGM : Organisme Génétiquement Modifié
PLC : percentage of loss of conductivity (pourcentage de perte de conductivité)
P50 : valeur clef de la vulnérabilité d’une espèce à la cavitation, représente la valeur pour laquelle on a 50% de perte de conductance hydraulique sur l’échantillon. Parfois écrites sous la forme PLC50%
P100 : valeur pour laquelle on observe 100% d’embolie d’un tissu végétal
Pcav : seuil pour lequel on observe un début de cavitation des vaisseaux de xylème
UMR PIAF : Unité Mixte de Recherche Physique et Physiologie Intégratives de l’Arbre Fruitier et Forestier de l’INRA de Clermont-Ferrand
UREP : Unité de Recherche sur l’Ecosystème Prairial de l’INRA de Clermont-Ferrand
Sommaire
Présentation du laboratoire d’accueil ... 1
L’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) ... 1
L’UREP et le PIAF ... 1
Contexte général ... 1
Synthèse bibliographique ... 2
Qu’est-ce que la cavitation ? ... 2
Mécanisme de formation de l’embolie ... 4
Etude de l’architecture hydraulique de la tige des poacées prairiales ... 5
Matériel et méthodes ... 5
Matériel végétal utilisé ... 5
Mesures de la conductance hydraulique des tiges de poacées prairiales ... 6
Mise en place méthodologique de mesure de la vulnérabilité à la cavitation de poacées prairiales ... 6
Préparation du matériel ... 7
Acquisition des échantillons ... 7
Préparation des échantillons pour la centrifugation ... 7
Observations microscopiques ... 8
Colorations des tissus « flushés » ... 8
Résultats ... 9
Résultats de mesures des conductances hydrauliques des tiges de poacées prairiales par la méthode du Xyl’em après centrifugation ... 9
Résultats mesures Cavitron ... 10
Résultats anatomie ... 11
Discussions et perspectives ... 12
Perspectives ... 14
Réflexion personnelle et intérêt du stage ... 15
Bibliographie ... 16 Annexes
Présentation du laboratoire d’accueil
L’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
L’INRA a été fondé en 1946 suite à la Seconde Guerre Mondiale dans un but d’atteindre l’autosuffisance alimentaire de la France. Cet institut a permis d’enclencher une nouvelle dynamique agricole en proposant des améliorations qu’elles soient variétales, en terme de techniques culturales ou encore de génétiques animales. Ceci permettant, dès 1960, à la France de redevenir autonome sur le plan alimentaire. Dans les années 80 ce sont les nouvelles technologies qui permettent à l’INRA de plancher sur la biologie moléculaire et les biotechnologies, les Organismes Génétiquement Modifiés (OGM) végétaux et les transplantations d’embryons animaux apparaissent, l’INRA est l’institut novateur dans ce domaine. De nos jours, l’institut se consacre à une agriculture moins gourmande en demande énergétique, mais en essayant de conserver le même niveau de production voir de l’améliorer, en somme l’INRA travaille désormais pour une agriculture plus durable.
L’UREP et le PIAF
Le stage a été effectué au sein de l’INRA de Clermont-Ferrand-Theix en collaboration avec deux unités :
i) l’Unité Mixte de Recherche Physique et Physiologie Intégratives de l'Arbre Fruitier et Forestier (PIAF) dirigée par Jean-Louis JULIEN. Au sein de cette unité figurent plusieurs équipes : l’équipe MEA (Micro-Environnement et Arbres) dirigée par André Lacointe, l’équipe MECA (Contraintes mécaniques et activité des zones en croissance) dirigée par Bruno MOULIA et l’équipe HYDRO (Hydraulique et résistance à la sécheresse) dirigée par Hervé COCHARD. C’est dans cette unité que ce sont déroulées toutes les expérimentations. Ces trois équipes mixtes et pluridisciplinaires abordent l’analyse et la modélisation du fonctionnement des arbres en réponse à des variations des facteurs de l’environnement
ii) l’Unité de recherche sur l’Ecosystème Prairial (UREP), dirigée par Pascal CARRERE. Cette unité s’intéresse au fonctionnement intégré de la prairie dans un contexte de changement global.
Les travaux portent sur deux thématiques principales : 1) Cycles carbone, azote, émissions de gaz à effet de serre. 2) Biodiversité, fonctionnement et dynamique de la végétation prairiale. Les axes de recherches de mon stage ont été définis en lien avec des recherches menées à l’UREP.
Contexte général
L’UREP est une unité de recherche qui s’intéresse en partie au lien qui existe entre les systèmes agropastoraux et la réponse de la végétation sur les territoires concernés. De ce fait, avec une tendance climatique de réchauffement global et de multiplication des épisodes extrêmes tels que les sécheresses, la compréhension des mécanismes d’adaptation et d’acclimatation des espèces
FIGURE N°1 : Deux voies de transfert de la vapeur d'eau à l'intérieur d'une feuille à partir de l'environnement adapté par Bleyaert (1991) et Jones (1992): soit par transpiration cuticulaire des cellules de l'épiderme au travers de la cuticule (c) et de la couche limite de la feuille (b) ou par la transpiration stomatique au niveau des cellules du mésophylle à travers les espaces intercellulaires (i), les stomates (s) et la couche limite des feuilles (b); l'analogue électrique illustre les résistances correspondantes au transfert de la vapeur d'eau sur la surface abaxiale de la feuille (rV, ab), combinés en une résistance de la feuille (rV, l, ab).
Source : http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169912001172
végétales, telles que les poacées, au manque d’eau pourrait permettre d’adapter les pratiques de pâturage ou de récolte (fauche, ensilage…) afin de préserver le milieu. Chez des ligneux, il a été démontré [4] que la résistance à la sécheresse passait par une résistance de la plante au phénomène de cavitation. Pour mesurer cette résistance ou cette vulnérabilité à la cavitation des espèces ligneuses, différentes méthodes et appareils ont été mis en place. L’objectif de ce stage est donc d’essayer d’appliquer les méthodes de mesure de résistance à la cavitation des ligneux aux poacées prairiales. L’intérêt d’étudier la cavitation pour les espèces prairiales étant que les prairies de climat sub-humides (climat couvrant une majorité du territoire français) ne sont pas acclimatées à des épisodes de sécheresses sévères. Hors, les scénarios climatiques du futur proche entrevoient une augmentation de ces épisodes de sécheresse et de canicule. D’où l’intérêt de connaître la résistance des espèces occupant les prairies de ce climat subhumide au stress hydrique. En prime, il serait intéressant, d’adapter une méthode rapide permettant de comparer les poacées prairiales afin de voir s’il existe un lien ou non avec la cavitation et leur résistance à la sécheresse. Ce stage, de par son objectif principal de méthodologie, correspond à une avancée importante dans la mesure de la vulnérabilité à la cavitation des poacées prairiales, mesures sur lesquelles il n’y a quasi, aucunes connaissances.
Synthèse bibliographique Qu’est-ce que la cavitation ?
Chez les plantes vasculaires, une grande majorité (soit plus de 90%) de l’eau absorbée au niveau du sol sous forme liquide par les racines ne fait que traverser le végétal avant de s’évaporer dans l’atmosphère [7]. Le moteur de ce transfert est l’énergie solaire qui fournit la quantité d’énergie nécessaire à l’eau contenue dans les feuilles pour passer de l’état liquide à l’état gazeux (vapeur d’eau), c’est le phénomène de transpiration. L’étude de la cavitation intervient dans l’analyse du fonctionnement hydraulique du xylème des plantes. Ce fonctionnement hydraulique correspond à un transfert d’eau en phase liquide dans le système conducteur de sève brute, composée d’eau et de sels minéraux. Le transfert débute par la pénétration dans les racines de l’eau du sol par les poils absorbants. L’eau suit dès lors un trajet extra-vasculaire de potentiels hydriques croissants et entre dans le système vasculaire de la plante où elle est acheminée jusqu’aux divers organes dont les feuilles où a lieu la transpiration. La transpiration d’une plante est fonction de l’énergie reçue par les feuilles et de l’ouverture des stomates (environ 60 calories /cm²) [17]. Elle est calculée suivant l’équation :
T
= (Cf – Ca)/(rs + ra) ou T= g(Cf – Ca), Figure n°1Avec : Cf : concentration de la vapeur d’eau dans la feuille, Ca : concentration de la vapeur d’eau dans l’air, ra : résistance à la diffusion représentée par la couche limite foliaire, rs : résistance à la diffusion représentée par les stomates, g : conductance stomatique qui représente l’intensité d’ouverture des stomates
FIGURE N°2 : Mesure de l’embolisation d’un rameau par méthode acoustique ultrasonique.
Elle consiste à détecter et à compter les émissions ultrasoniques produites par un segment végétal. Ces émissions ultrasoniques étant des sortes de « clics »
Source : Les mécanismes de résistances à la sécheresse chez les arbres. Cochard.H.
La transpiration, majoritairement régulée par la fermeture et l’ouverture des stomates, est le moteur principal du transfert de l’eau à travers la plante et exerce une tension sur la sève par l’intermédiaire des ménisques air-sève foliaires. Plus le diamètre du capillaire où se trouve la sève est fin plus la courbure du ménisque air/eau est importante et donc plus la « tension » exercée sur la colonne est élevée. Lorsque cette tension est trop importante (en cas de sécheresse par exemple) il peut se produire une vaporisation soudaine de la colonne d’eau sous tension (qui est alors dans un état instable) ce qui constitue le phénomène de cavitation [3]. La cavitation étant un terme utilisé initialement dans le domaine de la physique décrivant des phénomènes similaires dans les systèmes utilisant des hélices ou les canalisations hydrauliques. La conséquence étant l’arrêt de circulation de la sève brute ce qui crée une thrombose, embolie gazeuse (terme médical bien connu).
En supposant que la loi expérimentale de Jurin donnant la hauteur d’eau en équilibre dans un capillaire au-dessus d’un plan d’eau : H=2τ × COS(α)/r2
Avec : H = hauteur au-dessus du plan d’eau, τ = tension superficielle de l’eau, α = angle de mouillage, r2 = rayon du capillaire
Pour un rayon de capillaire de 12 micromètre une colonne d’eau de 120m peut-être soutenue. Or il existe dans les feuilles des ménisques air-eau suffisamment fins pour soutenir une colonne d’eau d’une hauteur supérieure à 100m. Les éléments conducteurs sont fins, de 10 à 500 µm de diamètre [3], aux parois rigidifiées par des dépôts de lignine imperméable. Au niveau de ces dépôts on peut observer des interruptions qui sont des micropores appelées ponctuations.
- Etude du phénomène de cavitation
Les premiers travaux probables d’étude de la cavitation in planta ont été réalisé par John Milburn en 1966 par détection du bruit de cavitation via une méthode acoustique (initialement à l’aide d’une tête de lecture d’une platine de disque) [3]. Cependant, cette méthode fut peut utilisée étant donné sa lourdeur et sa contrainte en terme de travail. La solution fut apportée par Melvin Tyree (dans les années 80) où il procéda à la détection des émissions acoustique de la cavitation dans le domaine ultrasonique (Principe actuel de fonctionnement : figure n°2). Méthode pouvant être employée in situ. Puis, John Sperry, pendant son travail de thèse dans le laboratoire de Martin Zimmermann, père fondateur de l’architecture hydraulique moderne [3], fut le premier à proposer une méthode quantitative d’estimation du degré d’embolie du xylème (Sperry et al 1985, 1986 et 1988). Sa technique consiste à mesurer l’effet direct de l’embolie sur la réduction de la conductance hydraulique d’un segment de xylème. A partir de cette technique, diverses méthodes ont été mises en place (elles ne seront pas détaillées ici) dont 2 utilisées durant ce stage :
- 1) la méthode utilisant le Xyl’em, Bronkhorst®, Licence INRA
Le Xyl’em est un appareil conçu pour mesurer le degré d’embolie des vaisseaux de xylème dans les
FIGURE N°3 : Schéma de fonctionnement du Xyl’em, Bronkhorst®.
Source : Xyl’em Instruction manual and tutorial for xylem embolism measurements. Version 1.0.
de petits segments (quelques centimètres), puis en une re-saturation des échantillons par des perfusions successives sous pression avec de l’eau dégazée (à laquelle sont ajoutés certains éléments minéraux). Ces perfusions évacuent ou dissolvent les bulles d’air contenues dans les vaisseaux embolisés. Le ratio conductance hydraulique initiale/conductance hydraulique à saturation donne une estimation quantitative du niveau d’embolie des vaisseaux. (Figure n°3)
- 2) la méthode utilisant le Cavitron (Figure n°4)
Le principe de la technique est de centrifuger un échantillon afin d’induire par la force centrifuge au centre de l’échantillon une pression négative (P, MPa) et une différence de pression positive (ΔP, MPa) au travers de l’échantillon. Si les extrémités de l’échantillon sont immergées dans de l’eau, la différence de pression entre le centre de l’échantillon et les extrémités crée un flux d’eau (F, mmol.s-1) au travers de l’échantillon qui permet la détermination de k, la conductance hydraulique de l’échantillon comme : k = F/ΔP.
L’artéfact principal de la méthode du Cavitron étant la longueur des vaisseaux du xylème.
- Courbes de vulnérabilité à la cavitation
La relation entre la pression hydrostatique et le taux d’embolie constitue ce que l’on appelle une courbe de vulnérabilité. Une courbe de vulnérabilité classique comporte 3 zones (figure n°5). Pour des pressions supérieures à une valeur seuil Pcav (valeurs proches de 0), le degré d’embolie est faible et indépendant de la pression. Au-dessous de cette valeur Pcav l’embolie se développe rapidement et devient forte dépendante de la pression. Enfin, pour des pressions inférieures à une seconde valeur seuil (P100, 100% d’embolisation du tissu), tout le tissu conducteur est embolisé. Fréquemment on utilise la notion de P50 qui correspond à la pression hydrostatique dans le xylème provoquant 50%
d’embolie. De même, on retrouve les notions de P100 et de Pcav pour pression de début de cavitation.
Les paramètres P50, P100 et Pcav étant sujets à la variabilité interspécifique, génotypique et phénotypique chez les ligneux.
Notre étude porte sur l’analyse d’un taux d’embolie ainsi que d’autres paramètres qui modulent la pression hydrostatique des vaisseaux du xylème. Pour cela, l’utilisation du formalisme Ohmique de Van den Honert [14] est intéressante.
Mécanisme de formation de l’embolie
Il existe plusieurs mécanismes à l’origine d’un dysfonctionnement xylémien. On distingue l’embolie hivernale (que l’on ne détaillera pas ici) de l’embolie estivale.
L’embolie liée à une contrainte hydrique qui est aussi appelée embolie estivale a pour caractéristique d’avoir un seuil de cavitation non corrélé aux dimensions des conduits du xylème [3]. Les expérimentations ont montré que la cavitation pouvait être due à un « germe d’air » [12]
FIGURE N°4 : schéma du dispositif expérimental conçu pour la mesure en continue de la conductance hydraulique du xylème de segments exposés aux effets de pressions centrifuges négatives. L'échantillon est centré sur l'axe d'une centrifugeuse avec ses extrémités immergées dans l'eau contenue dans deux réservoirs plastiques. Le niveau d'eau maximum dans chaque réservoir est déterminé par la position d'un trou dans la paroi de la cuvette.De l’eau peut être vidée à travers un tube pour remplir le réservoir en amont. Le trou dans le réservoir est situé en amont 1 • 2 cm plus proche de l'axe de rotation, ce qui crée une différence de pression positive et un écoulement d'eau (F) à partir des réservoirs en amont et en aval à travers l'échantillon. Le niveau d'eau (R) dans le réservoir en aval est constant parce que l'eau est évacuée par le trou. Le niveau d'eau dans le réservoir en amont (R - r) diminue avec le temps proportionnellement à F. La valeur de r est déterminée optiquement pendant la centrifugation en mesurant la distance entre le ménisque de l'air-eau dans les réservoirs.
Source : Cochard.H. A technique for measuring xylem hydraulic conductance under high negative pressures.
2002. Technical report. Plant, Cell and Environment, 25. 815-819.
FIGURE N°5 : Courbe de vulnérabilité typique montrant trois zones distinctes limitées par la pression seuil de vulnérabilité et la pression correspondant à 100 % d’embolie. Exemple du Quercus petraea. [3]
niveau des ponctuations. L’hypothèse du germe d’air est bien assise expérimentalement de nos jours, les recherches sont ainsi, à l’heure actuelle, plutôt tournées sur l’étude anatomique fine des parois primaires des ponctuations qui serait à l’origine de l’embolie (Figure n°6).
Etude de l’architecture hydraulique de la tige des poacées prairiales
L’étude a été réalisée sur cet organe de la plante dans un but de reproduction de ce qui est réalisé sur les espèces ligneuses où la méthodologie est bien rodée. Sur une poacée, le seul organe, présentant des vaisseaux conducteurs, pouvant être apparenté en terme de physiologie à un rameau ligneux est la tige florale.
- Au niveau des entre-nœuds (Figure n°7)
Dans une série d’investigation utilisant des techniques d’analyse cinématographiques, Zimmerman et Jomlinson ont montré que le système vasculaire des monocotylédones est souvent extrêmement complexe [16]. Dans beaucoup de tige la partie centrale de la moelle est détruite durant la croissance. Fréquemment, cette destruction a lieu dans les entre-nœuds, alors que les nœuds gardent leur moelle (« nodal diaphragms »). [18] C’est le cas pour la grande majorité des poacées prairiales.
- Au niveau des nœuds de la tige
Les systèmes vasculaires de la feuille et de la tige sont connectés au niveau du nœud par des trous dans le cylindre vasculaire de la tige au dessous de leur point de contact [16].A chaque nœud, un ou plusieurs vaisseaux vasculaires divergent du cylindre central de la tige vers la feuille attachée.
De plus, la structure architecturale des poacées (Figure n°8) est singulière du fait de la présence de talles qui sont autant d’individus potentiellement autonome. Les vaisseaux conducteurs du xylème des tiges se situent à la périphérie du cylindre central, sur plusieurs anneaux concentriques.
Le xylème et le phloème primaire (Annexe 3) constituent les faisceaux cribro-vasculaires. Ils sont issus du cordon procambial. Dans les formes herbacées, les faisceaux sont, en général, bien individualisés car ils sont séparés les uns des autres par des espaces de tissus parenchymateux plus ou moins abondants. [11] Le phloème et le xylème sont en contact direct et une gaine de sclérenchyme enveloppe le faisceau dans son ensemble [11].
Matériel et méthodes Matériel végétal utilisé
Les espèces étudiées ont été choisies suivant plusieurs critères, le premier étant l’accessibilité à un nombre important d’échantillons pouvant être prélevés. Ainsi, des prélèvements ont été effectués sur des plants d’expérimentation contrôlée l’année précédente et dont les graines
FIGURE N°6 : Explication de l’origine de la cavitation dans les éléments conducteurs par l’hypothèse du germe d’air.
Source : Cruiziat P., Tyree M.T., La montée de la sève dans les arbres, La Recherche 21 (1990) 406–414
FIGURE N°7 : coupe transversale d’une tige de riz (grossit 100 fois)
Source : http://www.sciencephoto.com/media/91871/enlarge
moyenne montagne). Le second critère de sélection a été le milieu de développement afin de caractériser un possible lien entre milieu et résistance à la cavitation : par exemple des espèces ont été prélevées en milieu humide (Phalaris arundinacea, Glyceria Fluitans et Phragmites australis), d’autres en milieu séchant (Stipa pennata, Brachypodium pinnatum et Melica ciliata), enfin un certain pool d’espèces a été prélevé en milieu mésophile (par exemple Lolium perenne, Dactylis glomerata, Festuca arundinacea, etc.). Enfin, le dernier critère de sélection a été la présence d’un nœud au niveau de la tige a un moins 15 cm du sol (permettant d’avoir un échantillon de 26 cm de long avec un nœud au centre pour la centrifugation).
Toutes les espèces ayant fait l’objet de prélèvements se sont développées en extérieur, soumises au climat local (Clermont-Ferrand, données Météofrance 2012 jusqu’au 1er juin : Cumul annuel moyen d’heures d’insolation : 1913h, cumul annuel de précipitations 260mm, température minimale moyenne annuelle : 4.7°C, température maximale moyenne annuelle : 14.6°C).
Lors du prélèvement, les tiges florales (prélevées au stade de l’anthèse) ont été sectionnées au niveau du plateau de tallage grâce à un sécateur puis placées dans du papier absorbant humide à l’intérieur d’un sac poubelle noir afin de diminuer la transpiration pour les espèces « naturelles ».
Les tiges florales des espèces prélevées dans les bacs de l’expérimentation X ont été placées dans 10 cm de sève reconstituée (0.0010mol.L-1 de CaCl2 déshydraté, 0.0010mol.L-1 de KCl déshydraté, et eau pure qsp). Les mesures ont été réalisées dans la journée du prélèvement sauf pour Stipa pennata où les mesures ont été réalisées le lendemain du prélèvement (situé dans les Causses, conservation au réfrigérateur à 4°C).
Mesures de la conductance hydraulique des tiges de poacées prairiales
La conductance hydraulique des tiges de poacées a été très peu étudiée et peu de références bibliographiques s’intéressent à ce sujet, ce qui n’est pas le cas chez les espèces ligneuses. Ainsi, il a fallu adapter les méthodes connues aux contraintes physiologiques des poacées. Cette mise en place méthodologique constitue le premier objectif de ce stage. L’idée a été d’adapter la méthode de mesure utilisant le Xyl’em aux poacées prairiales.
Mise en place méthodologique de mesure de la vulnérabilité à la cavitation de poacées prairiales
Le Xyl’em a été choisi pour mesurer les conductances hydrauliques des tiges poacées sélectionnées. Afin d’induire une embolisation donnée de ces tiges une étape préliminaire de centrifugation a été mise en place. La centrifugation de tiges de longueur donnée permet d’induire une pression négative (tension) au sein des vaisseaux conducteurs qui est fonction de la vitesse de rotation du rotor de la centrifugeuse et de son diamètre. En effet, si une tige, correspondant grossièrement de par ses structures à un tube plein d’eau, est placée sur un rotor, la force centrifuge
FIGURE N°8 : schéma de l’architecture d’une touffe de blé (haut) et cycle de développement du ble (bas). Source : pst.chez-alice.fr/svtiufm/ble.htm
créée implique une diminution de la pression à l’intérieur de la tige dont la valeur la plus basse est située au centre du rotor. De créer cette force centrifuge, par rotation à grande vitesse induisant une tension élevée, représente la tension créée lors d’un stress hydrique d’une plante où les vaisseaux subissent de fortes tension hydrauliques. La transpiration étant le principal moteur de circulation de la sève brute dans les vaisseaux, elle induit lors d’une forte activité une pression négative élevée dans ces derniers.
Préparation du matériel
La méthode mise en place utilise le Xyl’em qui permet de mesurer la conductance hydraulique de tige grâce à un débitmètre et une cuve pouvant être mise sous pression.
Dans un premier temps une sève synthétique est préparée afin d’alimenter le Xyl’em (0.111g.L-1 de Chlorure de calcium déshydraté, 0.745g.L-1 de Chlorure de potassium et eau pure qsp). Cette sève synthétique est ensuite dégazée pendant 15 minutes minimum grâce à une pompe à vide. Ce dégazage permettant de limiter la formation de bulles dans le Xyl’em et les échantillons traités.
Le Xyl’em est purgé et mis en route. La cuve est rempli par gravité avec de la sève synthétique puis la pression interne de la cuve est portée à 0.15MPa. Le réservoir basse pression est rempli via la cuve par de la sève synthétique afin d’obtenir une basse pression voisine de 500 Pa (soit 50 mBar), (Annexe n°2 : méthodologie Xyl’em)
Acquisition des échantillons
Les tiges sont prélevées avec un sécateur par coupe le plus près possible de la surface du sol, puis immédiatement placées verticalement dans une hauteur de 10cm de sève synthétique. Les conditions de prélèvements sont notées.
Préparation des échantillons pour la centrifugation
Les échantillons sont « mis à nus » (feuilles retirées dans la mesure du possible) et sectionner à 13 cm de part et d’autre du nœud situé le plus près de l’apex de la tige, afin que la longueur totale de l’échantillon soit de 26 cm. Puis, les échantillons sont fixés contre un tuteur en plastique dur et enroulés dans un scotch gris maillé résistant qui permet de renforcer les échantillons contre la déchirure.
Centrifugation
La centrifugation est réalisée pendant 3 minutes à la valeur souhaitée, les échantillons ayant à chaque bout du montage un centimètre de sève synthétique dans des cuvettes en plastiques (cuvette à usage unique Rotilabo®, PS optique 340-800, 4 faces transparentes, 4.5mL, Carl ROTH),.percées à 1 centimètre du fond pour que le volume ne dépasse pas 1mL environ. Pour notre expérimentation, deux centrifugeuses ont été utilisées, une de marque Sorvall® (Sorvall®
Superspeed Centrifuge RC-5B, 21000 rpm-1 max) et une de marque Jouan (C-4.11, 8000 rmp-1 max). Les rotors de ces centrifugeuses sont en aluminium et présente un porte échantillon de 26cm.
Après la centrifugation les échantillons sont recoupés sous l’eau dans la cuvette du Xyl’em afin de ne pas induire d’embolie. La coupe est effectuée après avoir enroulée l’échantillon de ruban
FIGURE N°9 : Schéma de montage de l’échantillon sur le porte embout du Xyl’em.
FIGURE N°10 : coupes transversales avec une lame de rasoir de Trisetum flavescens (A,B et C) et Dactylis glomerata (D) perfusées avec de l’eau distillée colorée à la safranine (1% en masse) sous pression. Grossissement : A (X40) ; B,C et D (X100).
Teflon®
PTFE standart Nœud
sectionné de
l’échantillon Embout
silicone porte- échantillon
Vis PVC de serrage de
l’embout silicone
Xyl’em®
Bas de l’échantillon
Haut de l’échantillon
Sens de circulation de
la sève synthétique Inflorescence
de la tige
Vers les racines Coupe sous l’eau
A
B
C
D
Teflon® PTFE standard sur environ 2cm sur la partie sous-jacente au nœud (Figure n°9) au niveau du nœud et sous le Teflon. L’échantillon est placé dans l’embout du porte échantillon par la partie nodale. La première mesure est effectuée en basse pression afin de connaître la conductance hydraulique (mmol.s-1.MPa-1) de l’échantillon après avoir subi une tension au niveau de ses vaisseaux due à la centrifugation. Puis un « flush » permet de dissoudre l’embolie artificielle et d’obtenir la conductance hydraulique native de l’échantillon.
Observations microscopiques
Une méthode a été mise afin de mesurer le diamètre des vaisseaux du xylème et l’épaisseur de leurs parois. Il s’agit d’utiliser un microtome sur lequel l’échantillon est figé instantanément par effet Peltier. Cette fixation instantanée permet de travailler de manière rapide et d’avoir une homogénéité dans la fixation de l’échantillon. Les épaisseurs de coupes variant suivant l’échantillon (résistance à la déchirure lors de la coupe) de 15µm à 30µm. Ces coupes transversales sont ensuite colorées (soit au Carmino-vert, soit au bleu de Toluidine et safranine) ou non et déposées sur des lames d’observation microscopiques avec une fixation à l’Eukitt®. Les grossissements utilisés sont
*40 ou *100.
Colorations des tissus « flushés »
Cette coloration a été réalisée afin de vérifier que la mesure effectuée avec le Xyl’em était bien celle de la conductance hydraulique des vaisseaux du xylème des échantillons et non de voies de passages préférentielles de la sève reconstituée mises sous pression.
Pour cela, nous avons utilisés deux espèces issues des bacs de l’expérimentation X, Trisetum flavescens et Dactylis glomerata. En utilisant le même protocole de coupe que vu précédemment des échantillons ont été « flushés » avec de l’eau distillée colorée par 1% en masse de safranine.
Puis des coupes transversales des échantillons ont permis d’observer les tissus colorés. (Figure n°10). Les photographies valident les mesures qui rendent bien compte de la conductance hydraulique des vaisseaux du xylème. Comme on peut le voir les tissus colorés se trouvent au niveau des vaisseaux de xylème, dont les vaisseaux du métaxylème et les vaisseaux du protoxylème. On peut noter un halo de coloration autour des faisceaux cribro-vasculaire qui est dû à une diffusion du colorant lors des coupes transversales. De plus, on observe (Figure n°10, photo B) que certains faisceaux cribro-vasculaires ne sont pas colorés. On peut supposer que cette non coloration est due à une embolisation complète des vaisseaux du xylème qui bloque le passage du colorant, les prélèvements ayant été réalisés durant une journée chaude du mois d’août, date où les Poacées sont les plus sujettes à un déficit hydrique.
Arrhenatherum eliatus
Pression (MPa)
-6 -4 -2 0
PLC (%)
0 20 40 60 80 100
FIGURE N°11 : Courbe de vulnérabilité à la cavitation chez Arrhenatherum elatius. Cette courbe a été réalisée par centrifugation de plusieurs échantillons à des vitesses de rotation différentes, puis par mesure du taux d’embolisation des vaisseaux de xylème grâce au Xyl’em (Bronkhorst®).
FIGURE N°12 : Vulnérabilité interspécifique à la cavitation représentée par le P50 en fonction de la pression. Ce graphique a été obtenu en calculant le P50 de chaque espèce étudiée à partir des courbes de vulnérabilité (Equation : f=(100)/(1+exp(slope/25*(x-P50))) issues des mesures utilisant la méthode du Xyl’em. Pour l’Echinochloa crus-galli et le Phragmites australis les P50 ont été obtenus par la méthode du Cavitron.
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
Stipa pennata Brachypodium pinnatum Melica ciliata Elymus campestris Lolium perenne Anthoxanthum odoratum Phleum pratensis Dactylis glomerata Festuca arundinacea Arrhenaterum elatius Elytrigia repens Alopecurus pratensis Echinochloa crus-galli Glyceria fluitans Phragmites australis Phalaris arundinacea
Pression (MPa)
Vulnérabilité interspécifique à la
cavitation (P50)
Résultats
Résultats de mesures des conductances hydrauliques des tiges de poacées prairiales par la méthode du Xyl’em après centrifugation
La conductance hydraulique des tiges de poacées a été mesurée suivant la méthode vue dans le paragraphe précédent sur 16 espèces.
Les mesures réalisées ont permis de tracer des courbes de vulnérabilité à la cavitation des poacées prairiales testées. Ces courbes présentent le pourcentage de perte de conductance (PLC : Percentage Loss Conductance) des échantillons en fonction de la tension appliquée par centrifugation (en MPa) (Figure n°11). Ce pourcentage de perte de conductance est calculé selon la formule suivante : PLC
= 100 x (1-(Kfinal/Kinitial))
Avec Kfinal : conductance de l’échantillon après un « flush », Kinitial : conductance de l’échantillon avant le « flush » (La conductance est l’inverse de la résistance hydraulique soit : K = 1/Rh = Q/ΔP, avec Q : débit volumique, ΔP : différence de pression amont et aval du conduit)
Les courbes de vulnérabilité sont tracées suivant une fonction mathématique dont les paramètres sont ajustés aux séries de données. La fonction mathématique utilisée est :
F(x) = 100/(1+exp(slope/25*(x-P50)))
Avec slope : pente de la courbe ajustée suivant les valeurs mesurées, P50 : PLC 50% calculée à partir d’une estimation sur les valeurs mesurées.
Les courbes tracées (Annexe 1) montrent dans un premier temps une différence de vulnérabilité à la cavitation mesurée suivant les espèces. Par exemple, la Festuca arundinacea (29 échantillons mesurés) affiche un P50 de -3.94 MPa-1 alors que la Glyceria fluitans (30 échantillons mesurés) affiche un P50 de -0.73 MPa-1. Si on s’intéresse aux valences écologiques décrites pour ces espèces dans les flores (Flore d’Auvergne Ernest Grenier 1992 et Atlas de la flore d’Auvergne), Annexe 1, on remarque que ces résultats tendent à correspondre avec la capacité de l’espèce à s’adapter à des milieux plus ou moins séchants.
Via la figure n°12 qui présente les P50 des différentes espèces, on peut distinguer des groupes au sein desquels les espèces ont des vulnérabilités à la cavitation sensiblement similaires. Ainsi, la Phalaris arundinacea, Phragmites australis, Echinochloa crus-Galli et la Glyceria fluitans semblent avoir un comportement similaire en terme de vulnérabilité à la cavitation. En effet, ces deux espèces sont rapidement très embolisées pour des « tensions » assez faibles (Perte de 50% de conductance hydraulique à -0.55 MPa et -0.73 MPa respectivement). A contrario, on s’aperçoit que plusieurs espèces ont des degrés d’embolisation des vaisseaux faible à des « tensions » élevées (Brachypodium pinnatum possède une perte de seulement 50% de sa conductance hydraulique à - 6.18 MPa). Parmi ces espèces figurent Melica ciliata, Stipa pennata et Brachypodium pinnatum.
FIGURE N°13 : Exemples de courbes de vulnérabilité chez différentes espèces ligneuses. En Y :
% de perte de conductivité induite par la tension de la sève ; en X : C, Ceanothus megacarpus
; J, Juniperus virginiana; R, Rhizophora mangle; A, Acersaccharum; T, Thuja occidentalis ; Populus deltoides
Source : Tyree et al. [16].
Entre ces deux groupes, de nombreuses espèces semblent avoir une résistance moyenne à la cavitation au regard des deux groupes extrêmes décrit précédemment.
Si on s’intéresse à la courbe de vulnérabilité de la Festuca arundinacea (ou Fétuque élevée), on remarque une embolisation des vaisseaux de xylème progressive, puisqu’entre un taux d’embolisation presque nul (sans tension appliquée, soit 0 MPa) et un taux d’embolisation de 90%, la différence de tension appliquée sur la colonne de sève est de près de 6 MPa. En comparaison, chez les ligneux (Figure n°13), on remarque que la vitesse d’embolisation des vaisseaux est beaucoup plus importante, l’embolisation étant presque totale 2MPa en dessous de la valeur de début d’embolisation. On constate (Annexe 1) que pour la majorité des poacées prairiales testées les pentes des courbes de vulnérabilité ont un coefficient proche de 20%PLC.MPa-1. On peut en déduire que l’embolisation mesurée par cette méthode est relativement lente durant l’augmentation de la tension de la sève appliquée.
La Figure n°14 nous permet de conclure quant à la non corrélation entre les paramètres des échantillons (longueur et diamètre de l’échantillon lors de la mesure au Xyl’em) et les conductances initiales observées. Comme on peut le voir, les coefficients directeurs des droites tracées sont voisins de 0, de même que les coefficients de déterminations. Ceci étant confirmé sur les 3 groupes majeurs d’espèces mesurées à savoir les espèces plutôt mésophiles, les espèces plutôt hydrophiles et les espèces plutôt xérophiles.
De même, sur la Figure n°15 on observe la même indépendance entre les paramètres des échantillons et les PLC mesurées (coefficient de corrélation <0.02%). Ainsi, on peut affirmer que le diamètre de l’échantillon n’influe pas sur la capacité de résistance à la cavitation, et donc que cette résistance est induite par des structures anatomiques particulières aux niveaux des vaisseaux de xylème. On peut également affirmer que la préparation de l’échantillon (dont la découpe) n’influe pas les résultats.
En conclusion : la méthode de mesure de la conductance hydraulique et de la vulnérabilité à la cavitation mise en place semble donner des résultats cohérents où on s’aperçoit que les poacées prairiales ont, en général, une résistance à la cavitation non négligeable. On retiendra également, que parmi ces poacées prairiales, certaines sont vulnérables à la cavitation avec des PLC50%
voisins de -1MPa comme Phalaris arundinacea, tandis que d’autres sont résistantes à la cavitation avec des PLC50% proches de -6MPa comme Brachypodium pinnatum, Stipa pennata ou encore Melica ciliata.
Résultats mesures Cavitron
La vulnérabilité à la cavitation a été mesurée sur 4 espèces via la méthode du Cavitron.
Parmi ces espèces, 2 présentent des débits de sève suffisant pour mesurer la vulnérabilité à la
FIGURE N°14 : courbes de corrélation entre les conductances initiales de 4 espèces (dont 3 caractéristiques de milieux sec, humide et mésophile) et la longueur ou le diamètre des échantillons. Les conductances initiales (Kinitial) ont été obtenues par mesures au Xyl’em.
y = 0,0437x + 0,1889 R² = 0,0433 y = -0,1205x + 17,551
R² = 1E-04
0 5 10 15 20 25
0 0,1 0,2 0,3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Longeueur échantillon (mm)
Diamètre échantillon (mm)
Kinitial (mmol-1.s-1.Mpa-1)
Festuca arundinacea
y = -2,3105x + 26,051 R² = 0,0188
y = 0,0065x + 0,1406 R² = 0,0007
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
0 10 20 30 40
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Diamètre échantillon (mm)
Longueur échantillon (mm)
Kinitial (mmol-1.s-1.Mpa-1)
Melica ciliata
y = -0,6511x + 28,819 R² = 0,195
y = -0,0041x + 0,3557 R² = 0,0541
0 0,2 0,4 0,6
0 10 20 30 40
0 2 4 6 8 10 12 14
Kinitial (mmol-1.s-1.Mpa-1) Diamètre échantillon
Longueur échantillon
Glyceria fluitans
y = -0,2178x + 25,59 R² = 2E-05
y = -0,2033x + 0,1747 R² = 0,0467
0 0,1 0,2 0,3
0 10 20 30 40
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Diamètre échantillon
Longueur échantillon
Kinitial (mmol-1.s-1.Mpa-1)
Brachypodium pinnatum
(Melica ciliata et Arrhenatherum elatius) ayant des débits de sève très faible, par rapport aux ligneux pour laquelle la méthode a été mise en place, n’ont pu être testées via la méthode habituelle.
C’est pourquoi pour ces dernières, plusieurs échantillons ont été placés dans le rotor du Cavitron afin d’augmenter le flux hydraulique.
Pour le Phragmites australis et l’Echinochloa crus Galli deux courbes de vulnérabilité à la cavitation ont pu être obtenues (Annexe 1). Pour Phragmites australis on remarque que l’embolisation du xylème est très rapide, la pente de la courbe ayant un coefficient de 178.2606
%PLC.MPa-1. On note également que cette espèce est très vulnérable à la cavitation puisque totalement embolisée à -2MPa. Pour cette courbe, le coefficient de détermination est de 0.9949, ce qui signifie que le modèle a très nettement représenté la vulnérabilité à la cavitation de l’espèce par rapport aux mesures réalisées. Le Phragmites australis (ou roseau) est une espèce dont la niche écologique se situe dans des milieux humides voir très humides (bords de rivières par exemple). La deuxième espèce, Echinichloa crus Galli (ou Pied-de-coq), a également une vitesse d’embolisation assez importante (pente de la courbe : 66.3558 %PLC.MPa-1). Cependant, contrairement à l’espèce précédente, on note une vulnérabilité à la cavitation, représentée par le PLC50% moins forte, avec - 1MPa, contre -0.63MPa pour le roseau. Si on fait le parallèle avec la répartition hydrique de cette espèce, on s’aperçoit que cette espèce aborde des milieux moins humides que le roseau, ce qui semble cohérent avec les résultats obtenus.
Sur la figure n°16 qui représente les courbes de vulnérabilité à la cavitation de l’avoine élevée et de la mélique ciliée, on remarque que la vitesse d’embolisation de ces deux espèces est plus faible que pour le roseau et le Pied-de-coq (pente de la courbe Melica ciliata : 17.42 %PLC.MPa-1, pente de la courbe Arrhenatherum : 19.57 %PLC.MPa-1). La méthode de mesure est similaire mis à part que pour les deux la mélique et l’avoine, plus de 10 échantillons ont été placés dans le rotor afin de mesurer leur vulnérabilité en simultané (un seul échantillon ne permettant pas, de par son faible débit de sève de réaliser des mesures). Cependant, malgré l’augmentation du débit hydraulique grâce à la multiplication des échantillons lors de l’expérimentation, les mesures sur ces deux dernières espèces ont été laborieuses et les résultats obtenus sont largement discutables.
En conclusion : la méthode du Cavitron permet d’obtenir des résultats sur les poacées prairiales ayant des tiges florales de gros diamètres et donc potentiellement un flux de sève important en proportion, ce qui ne semble pas être le cas pour des espèces à tiges ayant des diamètres faibles.
Cette technique n’est donc dans l’état pas appropriée pour mesurer la vulnérabilité à la cavitation de nombreuses poacées prairiales.
Résultats anatomie
L’anatomie permet à partir des échantillons ayant servi à la mesure de la conductance hydraulique des tiges florales des poacées d’observer le diamètre de la lumière des vaisseaux de
FIGURE N°15 : corrélation entre PLC mesurées et caractéristiques des échantillons. Les mesures de perte de conductance (en pourcentage) ont été obtenues par mesure au Xyl’em des échantillons après centrifugation.
y = 0,002x + 17,381 R² = 0,0023
y = 0,0001x + 0,1895 R² = 0,0179
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
0 5 10 15 20 25
0 20 40 60 80 100
Diamètre échantillon (mm)
Longeur échantillons (mm)
PLC (%)
Festuca arundinacea
xylème (notamment les vaisseaux du métaxylème, plus gros que ceux du protoxylème) ainsi que l’épaisseur des parois de ces vaisseaux. Ceci permettant, ou non, de lier la vulnérabilité de l’espèce à ces caractéristiques anatomiques.
Sur la Figure n°17, on remarque dans un premier temps des différences d’aire des vaisseaux de métaxylème en coupes transversales suivant les espèces. Les mesures ayant été réalisées par analyse d’image via le logiciel ImageJ uniquement sur les vaisseaux de métaxylème permettant de standardiser l’analyse. On peut conclure de ce graphique qu’à première vue l’aire des vaisseaux de métaxylème n’est pas dépendante de la vulnérabilité à la cavitation des espèces de poacées prairiales. En effet, le Brachypodium pinnatum ayant une faible vulnérabilité à la cavitation a des vaisseaux d’une capacité volumique plus importante que le Lolium perenne, qui est lui plus vulnérable à la cavitation, mais une capacité volumique plus faible que la Glyceria fluitans qui est l’espèce la plus vulnérable des trois.
Discussions et perspectives
Discussion de la méthode de mesure de la cavitation mise en place
La méthode mise en place utilisant le Xyl’em après centrifugation des échantillons présente certains inconvénients par rapport à d’autres méthodes dont le Cavitron. En effet, la construction d’une courbe de vulnérabilité demande un nombre important d’échantillons (supérieur à 20) afin de mesurer la résistance à la cavitation sur plusieurs gammes de pression. A contrario, le Cavitron permet l’obtention d’une courbe de vulnérabilité à partir d’un seul échantillon. De plus, l’utilisation de plusieurs échantillons pour construire une courbe de vulnérabilité induit une certaine variabilité contrairement à la méthode du Cavitron. On peut apprécier la mesure de cette variabilité intra- spécifique induite par la mesure de la conductance hydraulique de plusieurs échantillons en comparant la courbe de vulnérabilité du Phragmites australis (Roseau, Annexe 1, page 15) obtenue par la méthode du Cavitron et la courbe de vulnérabilité de la Glyceria fluitans (Annexe 1, page 7) obtenue par la méthode du Xyl’em.
La courbe de vulnérabilité à la cavitation de la Glyceria présente un coefficient de corrélation (R²) de 84.38% et une erreur standard d’estimation du modèle de 18.32 %PLC.MPa-1 Les écarts-types présentés sur la courbe témoignent de cette variabilité notamment au point d’inflexion de la sigmoïde, qui correspond au PLC50%, où la variabilité est maximale.
Chez le roseau, le coefficient de détermination (R²) est de 99.49% et l’erreur standard d’estimation de 4.16 %PLC.MPA-1. Dans ce cas le modèle utilisé représente presque parfaitement les mesures.
Pour la méthode du Cavitron, la variabilité intra-spécifique est représentée par l’obtention de plusieurs courbes de vulnérabilité à la cavitation. Ceci ayant été réalisée avec l’Echinochloa crus Galli où 3 échantillons (donc 3 individus) différents ont permis l’obtention de trois courbes de
Arrhenatherum elatius multiples
Pression (MPa)
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0
PLC (%)
0 20 40 60 80 100
Melica ciliata multiples
Pression (MPa)
-5 -4 -3 -2 -1 0
PLC (%)
0 20 40 60 80 100
FIGURE N°16 : courbes de vulnérabilité à la cavitation de Arrhenatherum elatius et Melica ciliata obtenues en utilisant la méthode du Cavitron sur plusieurs échantillons en simultané.
FIGURE N°17 : analyse de l’aire des vaisseaux de métaxylème de 3 espèces représentatives (Lolium perenne, 41 mesures, mésophile, Brachypodium pinnatum, 45 mesures, xérophile et Glyceria fluitans, 28 mesures, hydrophile) calculées sur des coupes transversales (grossisement X100) via le logiciel ImageJ. Début de résultats d’anatomie
193,17 329,09 444,38
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
Aire moyenne des vaisseaux de métaxylème (µm²)
Lolium perenne Brachypodium pinnatum Glyceria fluitans
on peut supposer que la résistance à la cavitation varie d’un individu à l’autre, ce qui expliquerait la variabilité observée avec la méthode du Xyl’em après centrifugation.
La méthode du Xyl’em après centrifugation présente également un inconvénient lors du prélèvement. Etant donné la nécessité de prélever plusieurs échantillons pour une courbe de vulnérabilité, il est important, pour les espèces à touffes, de prélever sur la même touffe si possible (les tiges qui en sont issues proviennent alors de la même talle et ont donc le même patrimoine génétique). De ce fait, on peut se poser la question pour certaines espèces où nous avons eu beaucoup de variablité entre les échantillons si cette notion de patrimoine génétique importe de manière significative dans les résultats ou non ? Les données d’anatomie devraient permettre de répondre à la question, si la cause de la variabilité observée s’explique par la variabilité anatomique des vaisseaux du xylème.
Confirmation des résultats de conductances hydrauliques Les résultats présentés sont à confirmer de plusieurs manières :
i) Répétabilité des mesures : il est nécessaire de ré-éditer les mesures sur les espèces testées (en prenant soin de conserver les mêmes lieux d’échantillonnage pour gommer un éventuel effet extrinsèque du milieu de croissance). Il serait également important de compléter les mesures en prenant des échantillons sur les mêmes espèces mais ayant poussées dans des milieux différents afin d’observer si on mesure un P50 similaire ou si des différences apparaissent. Ceci permettrait de proposer l’hypothèse d’incidence du milieu de croissance sur la mise en action des mécanismes de résistances à la cavitation et donc indirectement à la sécheresse
ii) Mesurer les résistances à la cavitation des espèces testées par d’autres méthodes expérimentales. Le travail ayant été commencé (mesure de quelques espèces par la méthode du Cavitron), cependant les mesures donnant des courbes de vulnérabilité probables (Phragmites australis et Echinochloa crus Galli) n’ayant pas été réalisées avec la méthode initiale mise en place, rien ne peut être confirmé. De même, les deux espèces utilisées dans la méthode initiale et avec le Cavitron présentent, avec la dernière méthode, des résultats différents (par exemple pour la mélique la méthode du Xyl’em donne un P50 de -5.55MPa tandis que la méthode du Cavitron à plusieurs échantillons donne un P50 de -2.46MPa. Cela pouvant être expliqué par plusieurs paramètres : 1) plusieurs échantillons en mesure simultanée 2) milieu d’échantillonnage différents
Modélisation des courbes de vulnérabilité
Les courbes de vulnérabilité sont tracées en ajustant un modèle mathématique à une série de données. Le modèle utilisé a été construit et éprouvé chez les ligneux. Comme on peut le voir sur la courbe du dactyle (Annexe 1, page 13) en dessous d’une tension appliquée (pression en MPa)
FIGURE N°18 : Vulnérabilité interspécifique à la cavitation de nombreuses espèces végétales ligneuses et non ligneuses.
Source : graphique repris de Cochard.H.
ce qui peut laisser penser à une embolisation native c’est-à-dire non induite par la centrifugation, alors que le modèle propose un ajustement à un taux d’embolisation plus faible (tendant vers 0%
d’embolie). Ceci étant expliqué par l’équation du modèle mathématique qui force son ajustement à 0% de PLC pour des pressions voisines de 0 MPa. Ce choix ayant été fait de part l’hypothèse qu’à des tensions faibles dans les vaisseaux de xylème, l’embolisation est nulle, ce qui ne semble pas aberrent d’un point de vue écophysiologique. Cependant, il serait intéressant de vérifier l’influence de cet ajustement sur la valeur du P50.
En s’appuyant sur les résultats d’analyse de données (Annexe 1, détail pour chaque espèce testée) il est possible d’affirmer que la fonction mathématique utilisée pour ajuster les données et permettre de calculer des valeurs clefs telles que le P50, le P100 ou le Pcav, est adaptée et modélise de manière efficace la vulnérabilité à la cavitation des différentes espèces. En effet, pour les 16 espèces étudiées grâce à la méthode du Xyl’em après centrifugation, les coefficients de détermination (R²) sont supérieurs à 0.70 (minimum observé pour Elymus campestris avec un coefficient de détermination (R²) de 0.7761) et 11 espèces ont même un coefficient de détermination supérieur à 0.85.
_ Discussion des résultats d’anatomie
Mesure des diamètres des vaisseaux de xylème
Comme on a pu le voir précédemment, le diamètre des vaisseaux de xylème a été calculé par analyse d’image ainsi que l’aire en coupe transversale de ces vaisseaux. Il en ressort une différence d’aires (µm²) entre espèces mais qui ne semble pas corrélée à la vulnérabilité à la cavitation. On peut alors supposer que la vulnérabilité à la cavitation des poacées prairiales est déterminée par la structure de la paroi des vaisseaux de xylème et non dans leur capacité volumique de conduction de la sève brute.
Mesure de l’épaisseur des parois
La mesure de l’épaisseur des parois a été réalisée avec le logiciel ImageJ. Cependant, l’acquisition des données a été réalisée manuellement, ce qui implique des erreurs de mesures. De plus, les coupes microscopiques réalisées n’ont pas permis d’obtenir une netteté des images acceptables pour évaluer l’épaisseur des parois. Le travail est donc à poursuivre.
Perspectives
Si on compare les résistances à la cavitation des poacées étudiées avec des données provenant d’études sur les ligneux (Figure n°18) on remarque que les graminées prairiales semblent être plutôt, dans l’ensemble, adaptée à résister à la cavitation. Il serait intéressant d’approfondir la comparaison ligneux-poacées.
Comme on peut le voir sur la Figure n°19, il semble exister un lien entre la vulnérabilité à la cavitation des graminées prairiales testées et les qualités hydriques du milieu sur lequel on les
