Le changement climatique modifiera la disponibilité des ressources affectant les performances des usines.  Les plantes réagiront à ces changements en modifiant le phénotype (c'est-à-dire les traits). La capacité des génotypes individuels à produire différents phénotypes lorsqu'ils sont exposés à des conditions environnementales uniques est appelée plasticité phénotypique. Comprendre les réponses plastiques est crucial pour prévoir et gérer les effets du changement climatique sur les plantes. La modélisation informatique des plantes offre un aperçu des interactions plante-environnement et de la plasticité phénotypique qui en résulte.

Dr Romain Barillot et ses collègues, chercheurs à l'Institut national de l'agriculture, de l'alimentation et de l'environnement (INRAE), utilisé un modèle informatique pour explorer les processus sous-jacents à la morphogenèse des pousses – le processus biologique qui amène les pousses à développer leur forme.

Typiquement, le blé produit de nombreuses branches (c'est-à-dire des chaumes) mais les plantes dépourvues du ou des gènes qui contrôlent la ramification présentent un phénotype monoculme. L'utilisation de monoculmes permet aux chercheurs de se concentrer sur la simulation de la plasticité de la croissance des feuilles sans avoir à tenir compte des règles putatives d'émergence des talles. Pour cette raison, les auteurs ont adapté CN-Blé, un modèle mécaniste qui intègre pleinement la morphogenèse des pousses et le métabolisme du carbone (C) et de l'azote (N) à l'échelle de l'organe, au sein d'une représentation tridimensionnelle de l'architecture végétale, pour simuler la croissance des monoculmes.

Selon Barillot et ses collègues, "la plasticité des feuilles dans les modèles d'herbe précédents est définie à partir de données empiriques, limitant ainsi notre capacité à explorer la réponse des plantes au large éventail de nouvelles conditions de croissance prévues en raison du changement climatique. La particularité de CN-Wheat est qu'il considère explicitement le rôle de l'économie de carbone et d'azote de l'ensemble de la plante en interaction avec les conditions environnementales. Le modèle utilise des boucles de rétroaction entre l'acquisition de carbone et d'azote et les réponses aux concentrations de métabolites pour piloter la morphogenèse, ce qui nous permet d'explorer de manière mécaniste la réponse des plantes poussant dans un large éventail d'environnements.

Les auteurs ont utilisé le CN-Wheat modifié pour explorer comment la morphogenèse dans diverses conditions de croissance affectait la plasticité des principaux traits foliaires. Des simulations ont été effectuées avec des plantes poussant dans une gamme de densités de plantation interagissantes, de concentrations de N dans le sol et de rayonnement photosynthétiquement actif incident, qui est la lumière disponible pour la photosynthèse. Les auteurs évaluent ensuite les dimensions, la biomasse, la surface foliaire spécifique et la teneur en azote de la plante.

Figure 1. Plante entière : effet du rayonnement photosynthétiquement actif et de l'azote du sol sur la masse sèche des pousses et des racines.

Les auteurs ont constaté que le modèle simulait une plasticité phénotypique réaliste pour contraster la disponibilité de la lumière et la fertilisation azotée. Par exemple, en réponse à l'augmentation du PAR incident, le modèle a simulé, au niveau de la plante entière, une fraction décroissante de la masse sèche allouée aux racines (Fig. 1) et une émergence plus rapide des feuilles, et, au niveau des feuilles, des feuilles plus épaisses et plus larges. feuilles (fig. 2). De plus, en réponse à l'augmentation de la concentration en N du sol, le modèle a simulé, au niveau de la plante entière, une diminution de la masse sèche pousse-racine (Fig. 1) et une émergence plus rapide des feuilles, et, au niveau des feuilles, une augmentation de l'épaisseur, de la largeur et de la densité. longueur (figure 2).

Figure 2. Leaf-Level : effet du rayonnement photosynthétiquement actif et de l'azote du sol sur la largeur maximale et sur la masse par surface du limbe 8.

Ces résultats démontrent que l'intégration du fonctionnement des plantes à l'échelle de l'organe peut simuler, en tant que propriété émergente, la plasticité phénotypique des plantes dans des conditions contrastées de lumière et d'azote.

Barillot conclut : « CN-Wheat fournit une description originale et explicite des processus sous-jacents à la morphogenèse, qui offre de nouvelles possibilités pour lier la plasticité phénotypique des plantes à leur statut métabolique en C et N à l'endroit et au moment où les caractères sont construits. Ce niveau d'intégration unique fait de CN-Wheat un bon outil pour explorer le fonctionnement des plantes dans des environnements contrastés et ouvre de nouvelles possibilités pour tenir compte des interactions génotype-environnement.

LIRE L'ARTICLE:

Marion Gauthier, Romain Barillot, Bruno Andrieu, Simuler la plasticité phénotypique des graminées comme propriété émergente des réponses des zones de croissance aux métabolites du carbone et de l'azote, in silico Plants, 2021, diab034, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab034

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