Approche combinée d'IRM, d'histologie et de modélisation pour étudier la distribution des ressources dans l'architecture de la plante : cas de la tomate et de la réponse au déficit hydrique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Combined approach of MRI, histology and modeling to study the distribution of resources in plant architecture : case of tomato and response to water deficit

Approche combinée d'IRM, d'histologie et de modélisation pour étudier la distribution des ressources dans l'architecture de la plante : cas de la tomate et de la réponse au déficit hydrique

Résumé

In the face of climate change and the scarcity of a certain number of resources, biotic and abiotic stresses are increasingly frequent and new strategies must be implemented in the study of plant development and functioning. Water and carbon resources are major determinants of fruit growth, and quantifying them at variable temporal and spatial scales is a major challenge. Among the many methods used to quantify their flows, most are destructive or indirect. The democratization of anon-invasive technology based on Magnetic Resonance Imaging (MRI) giving access to precise measurements of flows, both in quality and quantity, in the plant, would allow to overcome the limits of current approaches in plant ecophysiology. This work focuses on the tomato, a model plant and the second most consumed fruit in the world. The main objective of this thesis work was to develop and apply MRI methods to measure water fluxes in the tomato plant. The second objective was to couple these MRI investigations to histological approaches in order to evaluate the structurefunction links of conductive tissues. The third challenge was to use modeling as a tool for integrating the acquired knowledge in order to identify anatomical and functional traits potentially involved in the genetic and environmental plasticity of flow determinants. In response to these questions, we combined histological measurements at different plant scales (pedicel and stem), MRIexperiments performed on a 9.4T MRI scanner and tomato ecophysiological modeling to integrate the results. We showed that the high genetic and water deficit-induced variability of the surface of the conductive tissues at the fruit entry partially explained the variability of fresh and dry mass of the fruits. A flow-MRI method based on the inflow principle was developed and then applied at different levels of the main stem and to study the plant's response to water deficit. We demonstrateda reduction in xylem flow along the main stem due to a decrease in the active surface area from the bottom to the top of the stem, while the flow velocity was relatively stable. Finally, we used a structure function model to integrate the main results obtained, in particular concerning the theoretical conductivity deduced from MRI measurements. This integration has clearly shown the importance of measuring flows and water potentials in situ to better estimate the conductances in the xylem network. This exploration has allowed the development of a conceptual framework for the non-destructive study of water fluxes in tomato and other species. This work also opens perspectives to measure phloem flows as well as flows at the fruit pedicel level, which are important data to improve mechanistic models of resource allocation in the plant.
Face à l’évolution du climat et à la raréfaction d’un certain nombre de ressources, les stress biotiques et abiotiques sont de plus en plus fréquents et de nouvelles stratégies doivent être mises en place dans l’étude du développement et du fonctionnement de la plante. Les ressources en eau et carbone sont des déterminants majeurs de la croissance des fruits, dont la quantification à des échelles temporelles et spatiales variables est un enjeu majeur. Parmi les nombreuses méthodes permettant de quantifier leurs flux, la plupart sont destructives ou indirectes. La démocratisation d’une technologie non invasive basée sur l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) donnant accès à des mesures précises de qualité et quantité des flux dans la plante, permettrait de dépasser les limites des approches actuelles en écophysiologie végétale. Ce travail de thèse porte sur la tomate, une plante modèle et le second fruit le plus consommé dans le monde. Le principal objectif était de développer et d’appliquer des méthodes IRM pour mesurer les flux d’eau dans la plante de tomate. Le second objectif était de coupler ces investigations IRM à des approches histologiques afin d'évaluer les liens structure-fonction des tissus conducteurs. Le troisième enjeu était d’utiliser la modélisation comme outil d’intégration des connaissances acquises afin d’identifier des traits anatomiques et fonctionnels potentiellement impliqués dans la plasticité génétique et environnementale des déterminants des flux. Pour répondre à ces questionnements, nous avons combiné mesures histologiques à différentes échelles de la plante (pédicelle et tige),expérimentations IRM réalisées sur un scanner IRM de 9,4T et modélisation écophysiologique de la tomate pour intégrer les résultats. Nous avons mis en évidence une forte variabilité génétique de la surface des tissus conducteurs à l’entrée des fruits ainsi qu’une réduction en réponse au déficit hydrique. Ces variations contribuaient à expliquer en partie la variabilité de masse fraiche et de matière sèche des fruits. Une méthode IRM basée sur le principe d’entrée de coupe a été développée puis appliquée à différents niveaux de la tige principale en condition témoin et en conditions de déficit hydrique. Nous avons mis en évidence une réduction des flux xylémiens le long de la tige principale qui s’explique par une diminution de la surface active du bas vers le haut de la tige, alors que la vitesse du flux est relativement stable. Enfin, nous avons utilisé un modèle structure fonction afin d’intégrer les principaux résultats obtenus, notamment concernant la conductivité théorique déduite des mesures IRM. Cette intégration a clairement montré l’importance de mesurer in situ les flux et les potentiels hydriques pour mieux estimer les conductances dans le xylème. Cette exploration a permis de développer un cadre conceptuel dans le but d’étudier de manière non destructive les flux d’eau chez la tomate et chez d’autres espèces. Ce travail ouvre également des perspectives afin de mesurer des flux phloémiens ainsi que des flux au niveau du pédicelle du fruit, qui sont des données importantes pour améliorer les modèles d’allocation des ressources dans la plante.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03651857 , version 1 (26-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03651857 , version 1

Citer

Jeanne Simon. Approche combinée d'IRM, d'histologie et de modélisation pour étudier la distribution des ressources dans l'architecture de la plante : cas de la tomate et de la réponse au déficit hydrique. Autre [q-bio.OT]. Université d'Avignon, 2021. Français. ⟨NNT : 2021AVIG0365⟩. ⟨tel-03651857⟩
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