[PDF] Untitled Le stress hydrique réduit

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1 2

Académie d'Aix-Marseille

Université d'Avignon et des Pays du Vaucluse

École Doctorale 536 : Sciences et A

grosciences Soutenue le 14 décembre 2018 devant un jury composé de :

THÈSE

Présentée dans le cadre d'un doctorat en sciences

Spécialité : Biologie

Par Garance Koch

1 1 2

RÉSUMÉ

Comme pour les autres organes multicellulaires, la croissance et le développement de la

feuille et du fruit sont caractérisés par la coordination de la division et de l'expansion des cellules qui sont des processus majeurs de la croissance. Les cellules du péricarpe du fruit charnu connaissent également des endocycles successifs entrainant ainsi une augmentation

importante de la ploïdie des cellules. Il existe un lien évident entre la croissance cellulaire et

l'endoréduplication, cependant, celui-ci est encore mal connu du point de vue fonctionnel. Les processus cellulaires interagissent fortement durant le développement de l'organe et sont liés aux flux de carbone et d'eau dans la plante. L'objectif de ce travail de thèse est de mieux

comprendre le contrôle multi-échelles de la croissance des feuilles et des fruits chez la tomate

(Solanum lycopersicum Mill.) et de la plasticité de leur croissance en réponse à des stress hydriques du sol. L'étude a essentiellement porté sur le génotype de tomate cerise Solanum lycopersicum, cv.

West Virginia 106 (WVa 106) qui a été cultivé dans différentes conditions d'irrigation grâce à

des systèmes automatisés développés pour cette étude. La réponse au déficit hydrique du sol a

été étudiée à différentes échelles d'observation, (tissu, organe, plante entière) et à différents

stades de croissance de la plante en adaptant des protocoles utilisés jusque-là pour des plantes

à croissance déterminée et des feuilles simples. Deux génotypes transgéniques modifiés sur un

gène de régulation du cycle cellulaire ont aussi été cultivés afin de faire varier les traits liés à

la croissance cellulaire et mieux comprendre leurs liens. Les cinétiques de croissance des organes source et puits que sont la feuille et le fruit aux échelles cellulaire et tissulaire ont

aussi été décrites. Les résultats ont apporté des éléments nouveaux sur les coordinations entre

les différents processus étudiés et conforté des hypothèses déjà présentes dans la littérature.

Ces travaux ont permis de fournir un jeu de données original sur les effets du stress hydrique

sur les processus cellulaires (division, expansion, endoréduplication) impliqués dans la

croissance de la feuille et du fruit chez la tomate et, de mieux comprendre leur interactions à

plus large échelle, la plante dans sa globalité. En perspectives, ce jeu de données pourra

permettre de faire évoluer un modèle de développement du fruit charnu en condition optimale

et tester sa généricité sur un autre organe, la feuille. Il ouvre des pistes sur la réflexion autour

de la modélisation de la plasticité de la plante en réponse au stress hydrique. 3

ABSTRACT

As for other multicellular organs, growth and development of leaves and fruits are characterized by cell division and expansion. Cell division and expansion are two main growth processes. Fleshy fruit pericarp cells also include successive endocycles that provide an important increase in cell ploidy. There is a clear link between cell growth and endoreduplication. However, this link is still unclear from a functional point of view. Cellular processes interact during organ development and are related to plant water and carbon flows. The objective of this thesis is to give insights into the multi-scale control of leaves and fruits growth in tomato (Solanum lycopersicum Mill.) and the plasticity of growth-related traits in response to soil water stresses.

This study mainly focused on cherry tomato

Solanum lycopersicum, cv. West Virginia 106

(WVa 106). This genotype was cultivated in different conditions of watering regimes with automated systems developed for this study. Soil water deficit response was studied at different observation scales (tissue, organ, whole plant) and at different plant growth stages thanks to protocols that were used until now on plants with determinate growth and simple leaves that were modified for this study. Two transgenic genotypes modified on a cell cycle regulation gene were also cultivated to create variations on growth related traits for a better understanding of their relationships. Multi-scale growth kinetics of source and sink organs (leaf and fruit) were also analyzed. Results have brought new elements about growth-related traits coordination and have reinforced a few hypotheses already presented in scientific papers. This work has supplied an original dataset on water stress effects on cellular processes

(division, expansion, endoreduplication) related to leaf and fruit growth in tomato in the

context of the plant as a whole. In perspectives, this dataset may allow to further develop an existing model of fleshy fruit development which was first developed for fruits of plants growing optimal condition. Genericity of this model will be tested on another organ, the leaf. This work also opens some tracks about how the model could be modified when growth is limited by water stress. 4

REMERCIEMENTS

5 6

Tabledesmatières

1

TABLE DES MATIÈRES

PARTIE I : INTRODUCTION-CONTEXTE............................................... 1

I-1 Contexte général de la thèse.................................................................. 2

I-2 La plante face au déficit hydrique du sol................................................... 4

I.2.1 Variabilité des protocoles expérimentaux utilisés pour piloter des déficits

7

I.2.2 Plasticité des plantes en réponse au déficit hydrique du sol........................ 11

I-3 La tomate : Un modèle de plante cultivée pour l'étude des réponses au déficit 20 I-4 Objectifs de la thèse et cadre des expérimentations menées pour y répondre.... 24 PARTIE II : ANALYSE DE L'EFFET DE DIFFÉRENTS SCÉNARIOS DE STRESS HYDRIQUES SUR LE DÉVELOPPEMENT ET LA CROISSANCE DE LA PLANTE CHEZ LA TOMATE............................................................. 30
II-1 Introduction de la PARTIE II.............................................................. 31

II-2 Matériel et méthode de la PARTIE II.................................................... 35

II.2.1 Matériel végétal et semis................................................................ 35

II.2.2 Conditions de culture de plantules et des plantes.................................... 36 II.2.3 Notation des stades de développement des plantes................................. 42 II.2.4 Analyse de croissance des différents organes........................................ 44 II.2.4.1 Expérimentation A................................................................ 44 II.2.4.2 Expérimentation B................................................................ 45 II.2.5 Analyse statistiques des données...................................................... 45

II-3 Résultats de la PARTIE II.................................................................. 47

II.3.1 Effet de déficits hydriques du sol sur les développements végétatifs et

reproducteurs des plantes........................................................................... 47
II.3.1.1 Le nombre de feuilles est peu affecté par des contraintes hydriques du sol quelle que soit leur intensité et leur position dans le cycle de la plante.................. 47
II.3.1.2 Des stress hydriques d'intensités variables ont réduit le nombre de boutons floraux et la vitesse de floraison au sein de l'inflorescence, tout en retardant la date de floraison. Ces effets dépendaient toutefois du stade de développement de la 49
II.3.2 Effet de déficits hydriques de différentes intensités sur les biomasses

aériennes et racinaires à des stades précoces de développement de la plante...............

54
II.3.2.1 Les réductions de masse sèche aérienne et souterraine sont

proportionnelles à l'intensité du stress hydrique................................................

54
II.3.2.2 Suivant le " type » de stress hydrique et le stade de développement de la

plante, la surface et la masse sèche des feuilles peuvent être affectés différemment.......

56
II.3.2.3 Le déficit hydrique ne modifie pas les proportions de biomasse allouée

aux différents compartiments aériens, tige, feuille, et fruit.........................................

59

II.3.3 Effet du déficit hydrique imposé en serre sur les fruits............................. 62

Tabledesmatières

2 II-4 Discussion de la PARTIE II................................................................. 66 II.4.1 Nous avons pu cultiver des plantes de tomate dans des conditions d'état hydrique du sol stables au cours du temps et établir des courbes de réponse de

différents traits à la teneur en eau du sol moyenne..............................................

66
II.4.2 Un stress hydrique du sol modéré et constant au cours du cycle de la plante se traduit par des effets comparables sur le début et la fin du cycle pour des variables

liées au développement mais également à la croissance des feuilles et fruits................

67
II.4.3 Un contrôle précis de l'environnement ne suffit pas à maintenir des conditions " identiques » au cours du développement de la plante : les modifications

des forces de puits. ..................................................................................

70
II.4.4 Les déficits hydriques imposés ont plus affecté la croissance végétative que

le rendement en fruit................................................................................

71
II-5 Conclusions de la PARTIE II.............................................................. 73 PARTIE III : ANALYSE MULTI-ÉCHELLE DE LA PLASTICITE DES FEUILLES CHEZ LA TOMATE.............................................................. 75
III-1. Introduction de la PARTIE III........................................................... 76

III-2. Matériel et méthode de la PARTIE III................................................. 80

III.2.1 Matériel végétal, semis et pré-culture des plantules............................... 80

III.2.2 Conditions de croissance.............................................................. 81 III.2.3 Mesure des traits phénotypiques...................................................... 82 III.2.3.1 Mesure des traits relatifs à la taille des feuilles.............................. 84 III.2.3.2 Mesure des traits relatifs à l'anatomie de la face adaxiale de 85
III.2.3.3 Niveaux de ploïdie dans les feuilles et les folioles.......................... 88 III.2.4 Extraction des tendances pour les différentes variables morphologiques...... 90 III.2.5 Ajustement des cinétiques obtenues pour les différents traits relatifs à la

cinétique de croissance d'une foliole..............................................................

90

III-3 Résultats de la PARTIE III................................................................ 92

III.3.1 Variation de surface finale des folioles et des traits cellulaires relatifs à la taille de la foliole le long du rachis de la feuille composée de tomate....................... 92
III.3.2 Variations de la surface foliaire et des traits cellulaires associés le long de la

première unité sympodiale.........................................................................

94
III.3.3 Variations de la surface foliaire finale et traits cellulaires associés de la feuille composée de tomate chez la lignée Pro35S:Slccs52AAS............................. 98
III.3.4 Effet dose du déficit hydrique du sol sur la surface finale des feuilles et les

traits cellulaires associés dans la feuille composée de tomate.................................

102
III.3.5 Effet d'un déficit hydrique constant sur la dynamique de croissance d'une 106
III-4 Discussion de la PARTIE III.............................................................. 112
III.4.1 Les variations de surface des feuilles, des folioles, et des traits relatifs à la

taille des cellules supportent l'hypothèse que les folioles partagent des propriétés

Tabledesmatières

3

cellulaires communes............................................................................... 112

III.4.2 Contributions du nombre et de la taille de cellules de l'épiderme à la plasticité de surface de la feuille composée de la tomate : qu'en est-il des mécanismes de compensation décrits sur les feuilles simples ?.............................................. 113
III.4.3 Une preuve supplémentaire d'absence de lien direct entre l'augmentation du niveau de ploïdie dépendant de l'endoréduplication et l'augmentation de l'expansion 116
III.4.4 Découplage de l'expansion foliaire et des divisions cellulaires dans la réponse de la croissance de la foliole à une contrainte hydrique du sol................ 117
III.4.5 Les cinétiques de croissance des traits cellulaires relatifs à la croissance d'une foliole de tomate sont comparables aux cinétiques de croissance de la feuille d'Arabidopsis thaliana............................................................................. 118
III-5 Conclusions de la PARTIE III............................................................ 120 PARTIE IV : ANALYSE MULTI-ÉCHELLE DE LA DYNAMIQUE DE CROISSANCE DU FRUIT ET DE SA PLASTICITÉ CHEZ LA TOMATE....... 122
IV-1 Introduction de la PARTIE IV........................................................... 123

IV-2 Matériel et méthode de la PARTIE IV................................................... 128

IV.2.1 Matériel végétal......................................................................... 128

IV.2.2 Semis et pré-culture des plantules.................................................... 130

IV.2.3 Conditions de croissance.............................................................. 130 IV.2.4 Mesures des traits phénotypiques.................................................... 131

IV-3 Résultats de la PARTIE IV................................................................ 140

IV.3.1 Un déficit hydrique du sol modéré constant affecte la dynamique de croissance en masse fraiche du fruit.............................................................. 140
IV.3.2 Un déficit hydrique du sol modéré constant affecte les traits cellulaires dans le fruit pendant la phase précoce de la croissance du fruit..................................... 142
IV.3.3 Un déficit hydrique du sol modéré constant affecte les traits cellulaires dans le fruit pendant la phase rapide de la croissance du fruit....................................... 144
IV.3.4 Les deux méthodes utilisées pour mesurer les volumes cellulaires dans le péricarpe présentent des différences dans les valeurs absolues des nombres de cellules

mesurés ..............................................................................................

145
IV.3.5 Un déficit hydrique du sol modéré constant n'affecte pas la dynamique du processus d'endoréduplication dans le fruit...................................................... 146
IV.3.6 La dynamique de croissance en masse fraîche du fruit et des traits cellulaires associés dans le péricarpe de tomate n'est pas affectée chez la lignée transgénique

SlCCS52A

148
IV-4 Discussion de la PARTE IV............................................................... 152 IV.4.1 La plasticité du volume du fruit de la tomate est liée à une plus faible teneur en eau mais également moins de cellules et des cellules de volume réduit.................. 152
IV.4.2 Un découplage des processus de division, expansion et endoréduplication a

lieu au cours du développement du fruit chez la tomate et en réponse au déficit

hydrique du sol......................................................................................

154

Tabledesmatières

4 IV.4.3 Nous avons mis en évidence des disparités méthodologiques lorsque deux protocoles différents sont utilisés pour analyser les nombres de cellules dans les phases précoces puis tardives du développement du fruit.............................................. 156
IV-5 Conclusion de la PARTIE IV............................................................. 157 PARTIE V : CONCLUSIONS-DISCUSSION-PERSPECTIVES...................... 158
169
184
Annexe 1 : Koch et al., 2018 : Are compound leaves more complex than simple ones ?

A multi-scale analysis...............................................................................

Annexe 2 : Dauzat et al., 2016 : PHENOPSIS Quelles évolutions technologiques du

premier automate de phénotypage des plantes ?................................................................

Annexe 3 : Koch et al., 2017 : A multi-scale pipeline for a reproducible analyses of tomato leaf expansion and its plasticity.......................................................... Annexe 4 : Composition du substrat Klasmann ................................................ Annexe 5 : Construction des plasmides utilisés pour les transformations à l'origine des lignées transgéniques Pro35S : CCS52A

AS et ProPEPc2 :: CCS52AOE....................

Tabledesmatières

5

PartieI:IntroductionContexte

1

PARTIE I : INTRODUCTION-CONTEXTE

PartieI:IntroductionContexte

2

I-1 CONTEXTE GÉNÉRAL DE LA THÈSE

Cette thèse a été effectuée dans le cadre d'une collaboration entre les unités de recherche PSH

(Plantes et Systèmes de culture Horticoles) et LEPSE (Laboratoire d'Ecophysiologie des

Plantes sous Stress Environnementaux). Ces deux laboratoires, à sensibilité agronomique,

s'intéressent à l'effet de l'interaction génotype x environnement x pratique sur le

développement et la croissance des plantes. Leurs études ont conduit à la mise au point

d'approches innovantes combinant (1) des descriptions quantitatives de l'environnement tel

qu'il est ressenti par les plantes, (2) des décompositions de variables caractérisant le

développement et la croissance des plantes en processus élémentaires sous-jacents, (3) des

modèles prédictifs basés sur les processus sous-jacents impliqués dans le développement et la

croissance des organes et leur plasticité. Les deux laboratoires travaillent sur des plantes

cultivées, à savoir les plantes à fruits charnus, telles la pêche et la tomate, à PSH; le maïs, le

blé et la vigne au LEPSE mais également des plantes modèles telles Arabidopsis thaliana au

LEPSE.

Un axe de recherche commun aux deux laboratoires consiste à analyser les rôles respectifs des

processus cellulaires i.e., le cycle cellulaire, l'endoréduplication (pour certaines espèces) et

l'expansion cellulaire, dans le développement et le grandissement des organes végétaux. Une

priorité est d'analyser la plasticité de ces processus en réponse au déficit hydrique du sol. Des

approches de phénotypage haut-débit combinées à des analyses de génétique quantitative et

de la modélisation statistique ont été menées dans ce sens au LEPSE (Tardieu et al., 2000;

Reymond et al., 2003 dans les feuilles chez le maïs; Tisné et al., 2008 dans les feuilles chez

Arabidopsis thaliana); des modèles mécanistes ont été établis à PSH et utilisés pour analyser

les interactions entre processus de croissance de manière quantitative (Bertin et al., 2007; Baldazzi et al., 2013, 2017 dans les fruits chez la tomate).

PartieI:IntroductionContexte

3 Mon travail de thèse rentre dans le cadre des recherches menées à PSH et au LEPSE et porte sur l'analyse :

du développement et de la croissance des organes végétatifs et reproducteurs en réponse à une contrainte hydrique du sol;

de la contribution des processus cellulaires sous-jacents à la croissance de ces organes et à leur plasticité en réponse au stress hydrique;

des interactions entre les processus cellulaires.

Le travail a été mené sur la tomate qui est une plante modèle pour les fruits charnus pour

laquelle un premier modèle de croissance du fruit intégrant les processus de division et

d'expansion cellulaires a été développé à PSH (Baldazzi et al., 2017). Ce modèle inclut

également un effet de l'endoréduplication de l'ADN sur le potentiel d'expansion cellulaire. Il

permet de prédire des interactions entre les processus de croissance aux échelles cellulaire et

tissulaire au cours du développement du fruit de tomate en conditions optimales, i.e. sans contrainte. Le défi de mon travail de thèse était d'analyser la contribution des processus cellulaires,

i.e., endoréduplication, division cellulaire et expansion cellulaire, à la croissance des

feuilles et fruits de tomates et leur plasticité en réponse au stress hydrique. Ce travail est une sous-partie d'un projet plus ambitieux financé par Agropolis Fondation et devrait aller à termes jusqu'à la calibration et la validation du modèle de prédiction de la croissance des organes sous contrainte hydrique établi par V. Baldazzi à PSH, partie qui n'est pas traitée dans le cadre de ma thèse.

PartieI:IntroductionContexte

4 I-2 LA PLANTE FACE AUX DÉFICITS HYDRIQUES DU SOL La sécheresse affecte considérablement la croissance des plantes : c'est, sans doute (avec les

fortes températures), l'un des facteurs majeurs qui limite la production végétale en conditions

naturelles (Boyer, 1982; Ciais et al., 2005; Webber et al., 2018). De nombreux travaux

s'intéressent à l'impact de déficits hydriques subis ou contrôlés sur le fonctionnement des

cultures. Le déficit hydrique peut être défini comme un déséquilibre entre la quantité d'eau

disponible dans le sol et la demande en évaporation due aux conditions environnementales (Tardieu et al., 2011; Du et al., 2013). La plasticité des plantes permet le développement de

réponses adaptatives à l'état hydrique du sol qui fluctue régulièrement et de manière peu

prédictible suivant les cycles circadien et saisonnier. Chaque déviation de l'état hydrique de

son optimum ne résulte pas nécessairement en un stress. Le stress est l'altération de la

condition physiologique causée par des facteurs qui tendent à modifier son équilibre (Gaspar

et al., 2002; Chaves et al., 2002; Chaves et al., 2003; Hu et al., 2006). Ainsi, les écosystèmes

naturels et les cultures peuvent être affectés par le déficit hydrique, qui peut avoir un impact

important sur la croissance et la reproduction en fonction de son intensité (Bray, 2002). C'est

alors, qu'on parle de stress hydrique. Kramer (1963) décrit clairement la situation : La

croissance de la plante est contrôlée directement par le stress hydrique de la plante et

seulement indirectement par le stress hydrique du sol. Le stress hydrique de la plante dépend des taux relatifs d'absorption d'eau et de perte en eau plutôt que de l'approvisionnement en eau uniquement. Par conséquent, il n'est pas prudent de considérer qu'un degré de stress

hydrique du sol est toujours accompagné par un degré de stress hydrique de la plante

équivalent.

PartieI:IntroductionContexte

5

Administration».

PartieI:IntroductionContexte

6

De nombreuses réponses au déficit hydrique sont décrites dans la littérature à différentes échelles d'organisation, phénologiques, morphologiques, physiologiques, biochimiques et

moléculaires. Cependant, même si des tendances générales sont observées, les réponses sont

très variables en fonction de la durée et la sévérité du déficit, mais également du stade de la

plante lors de l'occurrence de la contrainte (Tardieu, 2012). Les réponses sont également

différentes suivant les variétés étudiées et elles sont génotype-dépendantes (Casadebaig et al.,

2008; Rauf et Sadaqat, 2008). Par ailleurs, d'autres contraintes environnementales

accompagnent souvent un déficit hydrique et les interactions entre contraintes sont peu prises en compte (Dreesen et al., 2012). Par exemple, le déficit hydrique est souvent associé à de

fortes températures (Figure I.1) et une intensité lumineuse élevée (Machado et Paulsen, 2001;

Paredes et Quiles, 2013; Mazdiyasni et AghaKouchak, 2015). Dans la plupart des études, les

effets du stress hydrique sont considérés seuls alors que ce stress est souvent combiné avec

d'autres stress environnementaux (au moins au champ et en serre). Des études des effets du

stress hydrique combiné à un autre stress abiotique, comme une température élevée, chez

Arabidopsis thaliana, le maïs ou le tournesol (Vile et al., 2012; Yordanov et al., 1997), ou des rayons UV-B sur l'orge (Bandurska et Cieslak, 2013) ont permis de montrer que l'analyse des

interactions entre stress était complexe et dépendait des traits mesurés. Il est donc clairement

établi qu'il n'y a pas une réponse au déficit hydrique mais plusieurs types de réponses qui

dépendent des plantes et des scenarios.

De nombreuses études portant sur la réponse des plantes au déficit hydrique présentent des

résultats obtenus avec une condition bien irriguée et une condition dite 'en déficit' et la

généralisation des résultats obtenus est ainsi limitée (Baerenfaller et al., 2012 chez

Arabidopsis thaliana). D'autres études présentent des courbes de réponses de traits de la

plante à l'humidité du sol, à la fraction d'eau transpirable dans le sol ou au potentiel hydrique

PartieI:IntroductionContexte

7

du sol ou de la plante, i.e. des variables permettant de caractériser l'intensité du stress

(Granier et al., 2006 chez Arabidopsis thaliana). I.2.1 Variabilité des protocoles expérimentaux utilisés pour piloter des déficits hydriques

Différents protocoles expérimentaux sont utilisés pour piloter l'état hydrique du sol et/ou de la

plante afin d'analyser la réponse des plantes face à des déficits hydriques. Le choix de la

méthodologie adoptée est souvent lié à l'expérience du chercheur et aux capacités

technologiques de l'unité de recherche.

Des protocoles de culture des plantes hors-sol.

Une première classe de protocoles repose sur des dispositifs dans lesquels les plantes sont

cultivées sans sol (sur milieu gélosé, en hydroponie, sur laine de roche, ...). Dans certaines

études, il s'agit de traiter des graines ou plantules avec des osmolites tels que le mannitol ou le sel pour appliquer un stress osmotique (Kilian et al., 2007; Skirycz et al., 2011). D'autres impliquent l'application de sel ou d'acide abscissique dans un milieu de culture hydroponique

sur lequel la plante se développe (Yamaguchi-Shinozaki et Shinozaki, 1994; Seki et al.,

2002). Le séchage de l'air autour de feuilles excisées est un modèle expérimental également

utilisé et qui a fourni des informations sur la réponse de la partie aérienne à la déshydratation,

en particulier sur les mouvements stomatiques et la réponse en terme de transpiration (Bouchabke et al., 2008; Huh et al., 2010). Cependant, certains travaux ont montré que tous ces modèles expérimentaux ne sont pas directement comparables entre eux et à un déficit hydrique du sol. Même s'ils ont permis d'identifier des voies importantes impliquées dans la

réponse des plantes au stress, certaines études ont mis en évidence de fortes différences de

réponses (en terme d'expression de gènes, de signalétique hormonale et/ou de fonctionnement

PartieI:IntroductionContexte

8

de la plante) entre le stress subi par les plantes en cas de choc osmotique, de déshydratation sévère et/ou les dessèchements graduels qui se développent généralement en pot ou au champ

(Seki et al., 2001; Seki et al., 2002; Székely et al., 2007; Skirycz et al., 2011). Des protocoles de culture en sol, pour des plantes en pot ou au champ.

Les expérimentations réalisées sur des plantes cultivées en pot sont souvent citées comme

plus représentatives des conditions de cultures en plein champs. Dans certaines études, des expérimentations au champ sont couplées à des expérimentations en pot, en environnement

contrôlé afin de comparer les réponses de certains traits au déficit hydrique (Tardieu et

Tuberosa, 2010; Tuberosa, 2012). Il a ainsi été montré chez le maïs que la réponse de la

croissance foliaire au stress hydrique pour des plantes cultivées en pot dans une plateforme de

phénotypage en serre était semblable à celle observée en plein champ pour une série de

génotypes (Chapuis et al., 2012). Toutefois des travaux récents sur le colza ont mis en

évidence une forte interaction entre la taille du pot et le déficit hydrique du sol sur la réponse

du développement de la plante (Dambreville et al., 2013).

Les scenarios de déficits hydriques imposés en pot peuvent être très variés mais on retrouve

deux types principaux : i) établissement d'un déficit hydrique progressif d'intensité croissante

sur une période donnée et ii) établissement d'un déficit hydrique constant dont l'intensité est

maintenue à une valeur donnée pendant une durée donnée. Techniquement, les maîtrises de

chacun de ces protocoles expérimentaux ont leurs propres avantages et inconvénients et, ils

sont représentatifs de situations différentes en conditions de culture. Un déficit hydrique

progressif est imposé en supprimant totalement l'irrigation des plantes, ou, par une réduction

graduelle, mais contrôlée, du contenu en eau du sol. Ce type de déficit hydrique est utilisé

plutôt pour étudier la réponse des plantes à un stress hydrique sévère, mais aussi, pour

PartieI:IntroductionContexte

9

analyser la reprise de croissance des plantes ou parfois même leur " résurrection » si l'irrigation est rétablie à un moment donné (Lechner et al., 2008; Rodriguez et al., 2010;

Bresson et al., 2015; Szalonek et al., 2015). Les déficits hydriques progressifs sont souvent

difficiles à analyser et ceci est lié à la difficulté de synchronisation du stade de croissance

avec le contenu en eau du sol, associé à une courte fenêtre de mesure. Par contre, un déficit

hydrique constant, appliqué en réduisant le contenu en eau du sol à un niveau cible atteint à

un stade de croissance défini, suivi et maintenu durant l'expérimentation, nécessite un travail

de maintenance plus important mais l'analyse de la réponse de la plante est plus simple car le

déficit peut être caractérisé par une valeur moyenne d'intensité (Granier et al., 2006; Clauw et

al., 2015) . Des protocoles haut-débit par le développement de plateformes de phénotypage contrôlant automatiquement l'état hydrique du sol.

Ces quinze dernières années, de nombreux laboratoires se sont équipés de plateforme de

phénotypage en chambre de culture ou en serre. La plupart de ces plateformes sont équipées

d'une station de pesée et d'irrigation permettant de suivre et ajuster précisément les teneurs en

eau du sol pot à pot de façon automatisée. Ceci a permis une meilleure reproductibilité des

expérimentations et la mesure de multiples traits sur de nombreuses plantes par différents

capteurs embarqués. Les plateformes établies en serre permettent de cultiver de grandes

plantes jusqu'à des stades tardifs de leur cycle de développement (Coupel-Ledru et al.,

2014 sur la vigne; Cabrera-Bosquet et al., 2016 sur le maïs). Elles permettent d'effectuer des

mesures des dynamiques de croissance aérienne et, pour certaines, sous-terraine (SCREEN House, Juelich; PHENODYN, Montpellier, 4PMI Dijon) ou de l'architecture des plantes (PHENOARCH, Montpellier; WIWAM CONVEYOR, Gent) avec une capacité de culture de la centaine au millier de plantes (Cabrera-Bosquet et al., 2016; Nakhforoosh et al., 2016).

PartieI:IntroductionContexte

10

Les plateformes de phénotypage établies en chambre de culture sont généralement adaptées pour l'analyse de petites plantes ou de grandes plantes à des stades précoces de leur

développement, et permettent un meilleur niveau de contrôle des conditions environnementales. Les plateformes comme PHENOPSIS, PHENOSCOPE et WIWAM-XY

ont été particulièrement utiles pour l'étude de la réponse de la plante modèle Arabidopsis

thaliana au déficit hydrique du sol (Figure I.2; Granier et al., 2006; Skirycz et al., 2011; Tisné

et al., 2013).

Des plateformes de phénotypage au champ ont également été développées, comme par

exemple SCREENField (Royaume-Uni), HyPlant (Allemagne), DIAPHEN (France). Elles ne permettent pas de contrôler finement le scenario de stress hydrique du sol mais certaines

utilisent des abris roulants dont le déplacement est automatisé pour éviter la pluie. Elles sont

équipés de tracteurs, et/ou véhicules aériens avec ou sans conducteur embarqué afin de faire

de l'imagerie de la canopée des cultures.

PHENOSCOPE

WIWAM XY

PHENOPSIS

PartieI:IntroductionContexte

11 I.2.2 Plasticité des plantes en réponse au déficit hydrique du sol Réponse globale du fonctionnement de la plante au déficit hydrique En l'absence d'une ressource en eau suffisante et accessible au niveau racinaire, la plante perd une partie de son eau et le potentiel hydrique des cellules diminue. Les conséquences sont

multiples et se produisent à différentes échelles dans la plante et sur différents pas de temps

(Figure I.3; Chaves et al., 2003). Les principales réponses sont une réduction de la pression de

turgescence, moteur de la croissance cellulaire et de la croissance des organes de la plante et, une fermeture des stomates ce qui limite la transpiration et diminue l'activité

photosynthétique (Figure I.3). Ces réponses ont lieu à l'échelle de la feuille en réponse à des

stimuli générés par la feuille elle-même ou ailleurs dans la plante. Une diminution de la

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