Afin de mieux comprendre la vie végétale, les travaux récents de Richard Harwood, publiés dans AoB PLANTS, examine le concept de « feuille virtuelle ». Il s'appuie sur des techniques de microscopie de pointe et sur la modélisation informatique pour étudier la physiologie des feuilles en trois dimensions (3D), un saut par rapport aux approches 2D traditionnelles.

Le concept de « feuille virtuelle » vise à reproduire la physiologie complexe d'une feuille dans un environnement numérique, permettant des simulations informatiques de processus tels que l'évaporation de l'eau et le dioxyde de carbone (CO₂) transport. Ces simulations fournissent des informations sur la manière dont les structures 3D uniques de différents tissus foliaires influencent les échanges de carbone et d'eau, affectant finalement des processus tels que la photosynthèse et la respiration.

Harwood étudie également la conductance du mésophylle en 3D, qui implique le passage du CO2 des minuscules espaces d'air d'une feuille vers les cellules photosynthétiques. Ses recherches soulignent que la taille, la forme et la disposition des cellules dans la feuille affectent considérablement ce processus. Les approches précédentes supposaient une distribution uniforme du dioxyde de carbone dans la feuille, sans tenir compte de la variabilité réelle de la structure de la feuille et des propriétés biophysiques complexes.

Une «feuille virtuelle» pourrait aider les chercheurs à visualiser les systèmes de transport de l'eau dans les feuilles et même à suivre le mouvement du carbone et de l'eau à l'intérieur d'une feuille en temps réel. Par exemple, Cicer Arietinum ou les structures complexes de la feuille de pois chiche et les réponses à la lumière pourraient être capturées avec cette technologie, créant une compréhension plus détaillée de la réponse des plantes aux changements environnementaux.

Surtout, Harwood souligne qu'une «feuille virtuelle» devrait également tenir compte des changements dynamiques et temporels comme les réponses à la sécheresse. Il salue le travail de Xiao et de son équipe pour leur modèle « eLeaf », qu'il considère comme une étape précieuse vers la création d'une « feuille virtuelle » complète. Il écrit:

Il est important de garder une perspective ancrée lorsque vous tentez de capturer dans un ordinateur portable un processus physiologique qui a évolué au fil des millénaires. En tant que tels, les efforts de recherche qui contribuent à l'avancement d'une «feuille virtuelle» doivent être évalués en fonction de la manière dont ils améliorent notre compréhension limitée de la physiologie des plantes, et non de la manière dont ils ne parviennent pas à saisir la réalité complexe. Xiao et al. (2022) illustrent une excellente approche pour créer une « feuille virtuelle ». Les auteurs utilisent différentes modalités de microscopie (micro-CT, microscopie confocale et électronique à transmission) pour capturer l'anatomie des feuilles à différentes échelles spatiales. Ces informations anatomiques sont ensuite regroupées et utilisées pour créer une structure 3D représentative de la microscopie. Bien qu'il soit encore un peu "cartoon" comme dans la nature, c'est une excellente concession entre les maillages 3D qui peuvent être utilisés dans les logiciels de modélisation et l'anatomie 3D authentique. Les auteurs ont validé leurs hypothèses de modélisation avec des données expérimentales et ont appelé le produit final « eLeaf ».

Xiao et al. (2022) a utilisé 'eLeaf' pour découvrir que le changement de la porosité des feuilles avait peu d'influence sur les performances photosynthétiques, ce qui correspond aux observations de Théroux-Rancourt et al. (2021) que la taille des cellules est beaucoup plus importante que la porosité. Il est à noter que Théroux-Rancourt et al. (2021) a pris des données anatomiques 3D pour estimer le CO 2D₂ diffusion et Xiao et al. (2022) ont pris des données anatomiques 2D pour estimer la diffusion 3D. Au fur et à mesure de l'évolution des approches de modélisation 3D, nous comprendrons mieux le niveau de détail nécessaire pour répondre à des questions de recherche spécifiques. Les progrès des techniques d'imagerie et de l'intelligence artificielle comme outil de segmentation (Théroux-Rancourt et al. 2020; Heinrich et al. 2021) se traduira par des modèles 3D plus raffinés et anatomiquement précis. Au fur et à mesure que ces modèles 3D dévoileront les complexités de la physiologie des feuilles, une «feuille virtuelle» émergera, représentant un outil puissant qui fusionne la microscopie, la modélisation et les données expérimentales.

Harwood 2023.

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Harwood, R. (2023) «Créer une feuille virtuelle, " AoB PLANTS, 15(3), p. lad033. Disponible à: https://doi.org/10.1093/aobpla/plad033.