De nombreuses régions du monde connaissent déjà une sécheresse record. Le réchauffement climatique augmentera l'intensité et la fréquence des sécheresses à l'avenir. Il a été démontré que la sécheresse réduire les rendements de diverses cultures de 30 à 92 % selon le moment du début de la sécheresse et le stade de la culture.

L'étude de l'écoulement et de la fonction de l'eau dans les plantes et leur environnement est la clé pour comprendre l'impact de la sécheresse. Les modèles de plantes sont des outils puissants qui peuvent capturer et connecter des connaissances détaillées sur les processus physiologiques des plantes. Malgré le rôle important de l'eau dans le fonctionnement des plantes, de nombreux modèles ne simulent pas l'hydraulique de l'eau (c'est-à-dire le mouvement).

Dr Tom De Swaef, chercheur associé à l'Institut de recherche flamand pour l'agriculture, la pêche et l'alimentation (ILVO) en Belgique et ses collègues passer en revue l'utilisation actuelle et potentielle de l'hydraulique de l'eau dans les modèles informatiques dans un nouvel article publié par in silico Plantes.

Cet article commence par une introduction facile à comprendre du rôle du potentiel hydrique dans le transport de l'eau à travers l'usine. Le potentiel hydrique est une mesure de l'énergie gratuite de l'eau; il entraîne le flux d'eau du sol, à travers la plante et dans l'atmosphère. L'introduction comprend des équations de base pour calculer le potentiel hydrique dans les phases liquide et gazeuse et les facteurs qui affectent le potentiel hydrique (par exemple, la température et la hauteur des plantes). Il y a aussi un compte rendu de l'utilisation de différentes terminologies et unités parmi les communautés scientifiques.

Un diagramme décrivant comment l'eau passe du sol aux racines et de la tige aux feuilles et aux fleurs. Le schéma est simple et audacieux et ne serait pas confondu avec une vraie plante vasculaire.
Figure 1 : Schéma du débit et de la conductance de l'eau à travers une plante.

Les auteurs se penchent ensuite sur la façon dont l'écoulement de l'eau le long du chemin de transpiration est modélisé en divisant le chemin en entités fonctionnelles (voir Figure 1) :

  • terre à racine – explique les modèles de base du transport de l'eau et leur évolution. La discussion intègre le développement plus récent de la capture de la conductivité hydraulique du sol en modélisant les caractéristiques de la rhizosphère plutôt que le sol en vrac.
  • épiderme racinaire au xylème racinaire – décrit les voies de transport de l'eau et inclut les facteurs physiologiques qui peuvent affecter les valeurs des paramètres de conductance hydraulique et d'osmose.
  • verticale à l'intérieur xylème – décrit le rôle du xylème et sa composition. Il détaille comment la surestimation de la conductance hydraulique se produit en raison du transport de l'eau se produisant dans la matrice de la paroi cellulaire et des bulles d'air dans le xylème.
  • feuille xylème aux sites d'évaporation (feuille) – décrit les traits anatomiques des feuilles qui ont un impact sur la conductance et l'utilisation de la modélisation pour déterminer les facteurs environnementaux qui affectent la conductance hydraulique.

Par la suite, les auteurs étudient comment l'hydraulique est liée à d'autres processus physiologiques des plantes dans des modèles tels que le transport du phloème, la conductance stomatique et la croissance des plantes.

Enfin, les auteurs synthétisent comment le potentiel hydrique peut servir de variable centrale du modèle qui relie plusieurs mécanismes éco-physiologiques dans les modèles végétaux (voir figure 2). Les implémentations récentes de l'hydraulique dans les modèles de biosphère terrestre à grande échelle ont amélioré leurs performances dans des conditions limitées en eau, tandis que les caractéristiques hydrauliques des récents modèles fonctionnels et structurels détaillés des plantes ouvrent de nouvelles possibilités pour disséquer des traits complexes pour la tolérance à la sécheresse. Ces développements dans les modèles à toutes les échelles méritent une évaluation critique pour évaluer son potentiel d'utilisation plus large dans les modèles de plantes fonctionnelles et structurelles et dans les modèles de systèmes de culture, où l'hydraulique est actuellement encore absente.

Potentiel hydrique lié à d'autres variables, notamment la conductance stomatique, le transport du phloème et l'avortement des fleurs.
Figure 2 : Potentiel hydrique comme variable centrale reliant les processus physiologiques des plantes.

Ensuite, ils évaluent le potentiel des modèles hydrauliques pour identifier les traits phénotypiques intéressants pour la tolérance à la sécheresse. Les modèles de plantes fonctionnelles et structurelles et les modèles de systèmes de culture capturent tous deux les effets des conditions environnementales dynamiques sur les mécanismes physiologiques des plantes qui sous-tendent la réponse intégrée des plantes et le phénotype qui en résulte. Par conséquent, les deux ont le potentiel d'être utilisés pour identifier les traits phénotypiques de la tolérance à la sécheresse. Cependant, cela nécessite une représentation précise des mécanismes physiologiques pertinents affectant l'hydraulique dans le modèle, comme décrit précédemment.

LIRE L'ARTICLE:

Tom De Swaef, Olivier Pieters, Simon Appeltans, Irene Borra-Serrano, Willem Coudron, Valentin Couvreur, Sarah Garré, Peter Lootens, Bart Nicolaï, Leroi Pols, Clément Saint Cast, Jakub Šalagovič, Maxime Van Haeverbeke, Michiel Stock, Francis Wyffels, Sur le rôle central du potentiel hydrique pour modéliser les processus physiologiques des plantes, in silico Plants, 2022;, diab038, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab038

Ce manuscrit fait partie de in silico Plant's Numéro spécial sur le modèle structurel fonctionnel de l'usine.