L'équipe MECA

Quelles stratégies les arbres adoptent-ils pour tenir debout longtemps en supportant leur propre poids et en résistant au vent ? 

Pour répondre à cette question, notre équipe interdisciplinaire combinant biomécanique, écophysiologie et physiologie moléculaire, étudie par des approches originales la résistance et la résilience des arbres face aux défis mécaniques.

Contexte

Plusieurs modèles prévoient une augmentation de l’intensité des phénomènes de vents extrêmes, alors même que la vitesse des vents quotidiens diminuerait. Ces conditions plus extrêmes causées par la crise climatique présentent un grand risque pour les arbres, d’autant qu’il se combine à d’autres risques comme les sècheresses, les canicules et les attaques d’insectes et de champignons. Pour atténuer ce risque, une possibilité est de s’appuyer sur les capacités des arbres à accroître leur résistance à la casse et au déracinement, et sur leurs capacités de résilience une fois les dégâts subis. Cela nécessite une meilleure compréhension des stimuli perçus et des mécanismes biologiques de réponse à l’œuvre.

Objectifs

Depuis plus de 15 ans, l’équipe MECA s’investit dans une approche originale de physique et physiologie intégrative mêlant expérimentations et modélisation afin d’élucider les mécanismes qui permettent aux arbres de développer leurs structures dans un environnement mécanique fluctuant. Ces travaux nous ont donné une visibilité scientifique sur la scène nationale et internationale. Initialement très fondamentales, nos découvertes ont ensuite été mobilisées dans le cadre d’une recherche plus finalisée, notamment en étendant nos questions à l’échelle des peuplements arborés. La généricité de nos approches nous a permis de montrer que beaucoup de nos résultats ne sont pas restreints aux arbres mais généralisables aux plantes. Les comparaisons entre espèces arborées et herbacées nous permettent, de plus, de mieux comprendre les spécificités du port arboré.

Nos recherches ont pour objectif de répondre à deux questions scientifiques majeures :

• Comment les plantes perçoivent-elles les signaux mécaniques- qu’ils soient déclenchés par le vent ou par d’autres facteurs (poids propre, résistance du sol à la progression des racines, contrainte hydrique, …) ? Comment ces signaux mécaniques impactent-ils le fonctionnement des méristèmes et sont-ils à l’origine de modifications de la croissance ?
• Quels sont les mécanismes biologiques à l’origine de la résilience des plantes aux évènements mécaniques extrêmes (casse et verse) ?

La première question est essentielle pour comprendre comment les plantes s’acclimatent à tout stress ayant une composante mécanique. Ces stress sont de deux types : des sollicitations externes, en premier lieu le vent, et des impédances mécaniques agissant directement sur les tissus en croissance.

Nous avons ainsi montré que la perception du vent était un acteur majeur de contrôle de la croissance des arbres, du stade plantule au stade adulte, et de l’existence durable d’un port arboré. Nous approfondissons désormais l’étude des sollicitations répétées en conditions contrôlées et dans les peuplements arborés naturels. Nous étudions aussi la croissance sous impédance (1) à l’échelle du cambium – dont la croissance est contrainte par l’écorce, mais de manière variable en fonction de son statut hydrique et de celui des tissus environnants – et (2) au niveau des racines dont la croissance s’effectue dans un sol à impédance variable, en lien en particulier avec son statut hydrique. Nous tentons aussi d’étudier conjointement l’acclimatation au stress mécanique et au stress hydrique, en faisant l’hypothèse que les mécanismes de perception et/ou transduction sont en partie communs.

Notre deuxième question de recherche porte sur la résilience après un évènement extrême, par exemple lorsqu’un arbre se retrouve incliné ou ployé, permettant de considérer aussi la réponse à des événements débordant la résistance mécanique. Nous étudions par quels mécanismes les arbres parviennent alors progressivement à se redresser et à retrouver un port vertical. Ce contrôle postural est actif durant toutes les phases du développement, pas seulement après un évènement traumatique. Il est partagé par la plupart des plantes, c’est pourquoi nos recherches s’appliquent aussi à d’autres plantes, notamment au blé et au problème de la verse, quand des épis sont couchés au sol par le vent ; mais aussi à Arabidopsis pour décrypter des mécanismes moléculaires clés.

Lorsque le redressement n’est plus possible, une autre stratégie de résilience des arbres est le réveil de bourgeons dormants, présents sous l’écorce le long du tronc, afin de créer de nouvelles tiges ou suppléants épicormiques. Nous identifions quels facteurs environnementaux déterminent cette sortie de dormance suite à un accident mécanique ou une intervention technique (tuteurage, palissage, arcure …).

Pour ces deux questions, nous nous appuyons sur des approches intégratives multi-échelles, de la molécule à l’arbre entier, en passant par la cellule et l’organe. Elles intègrent plusieurs disciplines (biologie moléculaire, anatomie, écophysiologie, mécanique) et font fortement dialoguer expériences et modèles. Nous concevons des dispositifs expérimentaux originaux, et développons des outils d’analyse (bio)physique incluant l’analyse multi-échelle de séries spatiales ou temporelles d’images. Nous caractérisons des réponses biologiques incluant l’analyse des variations de forme, l’estimation et le contrôle des déformations subies par les tissus, la mesure des variations de la croissance du tronc en diamètre et en hauteur, du développement racinaire, et des propriétés anatomiques et mécaniques des tissus formés. Elles sont associées à la recherche des acteurs moléculaires impliqués, ciblée sur les processus clés. Nos résultats sont ensuite interprétés dans une logique agro-écologique, soit sur des systèmes forestiers, soit sur des systèmes plus anthropisés (arbre en verger, arbre en ville).

Les travaux de l’équipe MECA élucident ainsi progressivement des questions fondamentales sur le développement et la survie des arbres. Ils contribuent aussi à faire évoluer les pratiques de gestion agricoles et forestières pour qu’elles s’appuient davantage sur les capacités d’acclimatation et de résilience des arbres, et ainsi à améliorer la résistance et la résilience globales des systèmes arborés dans leurs différents usages face à des risques multiples et croissants.

Dispositifs et outils

• Le microscope horizontal
• Le Gravitron 
• Les essais de caractérisations mécaniques
• Le contrôle des déformations mécaniques (flexions)
• Les mesures d’éléctrophysiologie
• Le Clinostat
• Interekt