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Biologie intégrative des relations entre signaux mécaniques, croissance et développement architectural des plantes : mécanismes et modélisation

PIAF, INRA Clermont-Ferrand
on 2009/11/06 at 11:00

Summary

Les plantes terrestres développent leur architecture aérienne dans des environnements mécaniques variés, hétérogènes et très fluctuants (vents, pluies ...) [2,3].Par ailleurs, pour un climat et un lieu donné, une plante isolée ne sera pas soumis au même microclimat mécanique qu’une plante en couvert [2,5]. De plus la seule croissance en hauteur, et le déploiement de la ramification changent drastiquement l’état mécanique de la plante par augmentation de la prise au vent et des bras de leviers, et peuvent affecter aussi l’excitabilité vibratoire de sa structure mécanique [3, 5]. Enfin les tempêtes récentes nous ont rappelé la pression de sélection -et l’impact économique majeur- que peut exercer le vent sur les plantes.

Sous cette pression sélective, les plantes ont développés des mécanismes de régulation mécanoperceptive de leur croissance et de leur ramification (thigmomorphogénèse), qui couplent fortement croissance, développement architectural et fonction de soutien (ou plus précisément de maintien) mécanique [3, 6]. Ces mécanismes ne commencent à être étudiés de manière suivie que depuis une dizaine d’années, car leur étude nécessite une approche interdisciplinaire intégrative (mécano-biologie) et des aller retours récurrents entre modélisation et expérimentation [3]. Nous montrerons par résultats récents que les plantes (arbres et herbacées) régulent leur croissance primaire et secondaire en fonction des signaux mécaniques reçus (y compris en couvert dense), mais dimensionnent aussi leur ramification pour contrôler et compartimenter leurs modes vibratoires [5]. Un modèle intégratif de contrôle mécanoperceptif de la croissance en hauteur et en diamètre d’un axe (du tissu à l’axe) appelé modèle des « sommes de déformations » sera présenté [1], ainsi que sa validation toute récente sur des réponses quantitatives d’expression des gènes primaires de la mécanoperception [7]. Les enjeux de la combinaison d’études biomécanique et moléculaires pour la compréhension et la modélisation intégrative des réponses de croissance au vent en conditions naturelles seront enfin discutés.

[1] COUTAND C., MOULIA B. (2000). A biomechanical study of the effect of a controlled bending on tomato stem elongation : II Local mechanical analysis and spatial integration of the mechanosensing J. Exp. Bot. 51(352) : 1825-1842.

[2] PY C., DE LANGRE E., MOULIA B. (2006). Frequency lock-in of shear layer instability in wind-crop interaction. J. Fluid Mech. 568, 425-449.

[3] MOULIA B., COUTAND C., LENNE C. (2006). Posture control and skeletal mechanical acclimation in terrestrial plants. Consequences for the biomechanical modelling of plant architecture (Invited review). Am J Bot, 93 (10) 1317-1329.

[4] LEBLANC-FOURNIER N., COUTAND C., CROUZET J., BRUNEL N., LENNE C., MOULIA B., JULIEN J. L. (2008). Jr-ZFP2, an early gene in the mecanotransduction pathway of woody plants, encoding a cys2-his2 type transcription factor. Plant Cell and Environment 31 :715–726

[5] RODRIGUEZ M. E., LANGRE E., MOULIA B. (2008). A scaling law for the effects of architecture and allometry on tree vibration modes suggests a biological tuning to modal compartmentalization Am J Bot, 95(12): 1523–1537

[6] MOULIA B., FOURNIER M. (2009). The power and control of movements in plants: a biomechanical and system biology view. Journal of Experimental Botany (Darwin series invited review) 60:461-486.

[7] COUTAND C., MARTIN L., LEBLANC-FOURNIER N., DECOURTEIX M.,JULIEN J. L., MOULIA B. (2009). Strain mechanosensing quantitatively controls diameter growth and PtaZFP2 gene expression in poplar. Plant Physiology 151: 223-232.