Soutenance mémoire
Systèmes de transport de la plante de tomate
Présentation des structures d’accueil
Au niveau national : Premier institut de recherche agronomique en Europe, l’Institut national de la recherche agronomique (Inra), créé en 1946 et présidé et dirigé par Mr. François Houiller (jusqu’en aout 2016), engage et réalise des recherches au service d’enjeux de société. Ses principales missions consistent en l’acquisition et la diffusion de références scientifiques, en l’élaboration des programmes de recherche nationaux et européens et en la contribution à l’innovation scientifique. Les grands axes de recherche sont répartis selon différents enjeux tels que le développement d’une agriculture plus productive et compétitive, en meilleure adéquation avec les besoins nutritionnels de l’Homme et plus respectueuse de l’environnement. L’Inra, dont le financement est d’ordre public, se décompose en dix-sept centres de recherche répartis sur l’ensemble du territoire français et treize départements scientifiques.
Unité PSH du Centre Provence-Alpes-Côte d’Azur
L’Unité Plante et Système de culture Horticole (PSH) située à Avignon et faisant partie du Centre Inra PACA, s’inscrit au sein du pôle de recherche Production Horticole Intégrée (PHI) et a pour mission d’améliorer la qualité, aussi bien visuelle que gustative, des produits récoltés, dans le respect des normes environnementales existantes. Située au coeur d’un des plus grands bassins de production fruitière et légumière, l’unité, via des approches expérimentales et de modélisation, étudie l’impact des pratiques agricoles et de l’environnement sur le système plante à différentes échelles. Une des thématiques de recherche de l’unité est orientée sur l’analyse et la modélisation des interactions entre les ressources disponibles et les fonctions vitales de la plante en fonction de l’environnement et des pratiques culturales et c’est en son sein que s’inscrit le projet d’ « Etude des Flux Hydrocarbonés chez la Tomate ».
Plateforme BioNanoNMRI
La plateforme BioNanoNMRI s’inscrit au sein du laboratoire Charles Coulomb, Unité Mixte de Recherche de l’Université Montpellier et du Centre National de Recherche Scientifique (CNRS), créée en 2011. Le laboratoire travaille sur des thématiques allant de la Physique théorique à la Biophysique et la Physico-Chimie et les travaux de recherche se décomposent en six axes. Parmi eux, se trouve le champ de recherche traitant de la Bio Nano Imagerie, représenté par Mr Christophe Goze-Bac, directeur de la plateforme BioNanoNMRI. La plateforme dédiée à l’Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire collabore avec des partenaires privés et publics désireux d’utiliser des techniques non invasives pour répondre à leurs problématiques. Les projets de recherche s’orientent autour d’études dans le domaine de la biologie, de la santé, de l’agronomie, ainsi qu’autour de la conceptualisation d’antennes plus performantes. La plateforme comprend un IRM horizontal VARIAN 9.4 T (Figure 1), un IRM vertical OXFORD 4.7 T (Figure 2) et un relaxomètre 0-2 T.
Voie phloémienne Structure et rôle
La nutrition organique, minérale et hormonale des organes puits implique la voie phloémienne qui participe ainsi au contrôle de nombreux processus développementaux et physiologiques et à la signalisation longue distance au sein de la plante (Nabors, 2008). Le phloème véhicule les assimilats issus de la photosynthèse et est riche en glucides solubles, en acides aminés et des ARN circulent en son sein (Kehr et Buhtz, 2007). C’est une structure complexe comprenant trois types cellulaires principaux, à savoir les cellules parenchymateuses, les cellules compagnes et les cellules criblées. Ces deux derniers types cellulaires s’associent pour former un complexe cellule compagne – cellule criblée (Figure 4). Les premières assurent la charge des cellules criblées en assimilats alors que les secondes conduisent la sève phloémienne. Contrairement aux éléments xylémiens, les cellules du phloème sont vivantes.
Fonctionnement Les flux phloémiens ascendants et descendants se font selon un écoulement sous pression, hypothèse proposée par Münch en 1930 (Nabors, 2008). Les assimilats sont transportés suivant un courant de masse entre les organes sources, tels que les feuilles, et les organes puits, tels que les fruits (Lalonde et al., 2003). Au niveau des sources, la concentration en glucides solubles est forte, de par leur forte activité photosynthétique, et le potentiel hydrique est faible, dû à la transpiration. Cette baisse de potentiel hydrique induit un flux d’eau en provenance du xylème par osmose depuis les cellules voisines et, de ce fait, la pression hydrostatique augmente (Figure 5). Au niveau des puits, la concentration en sucres est plus faible, le potentiel osmotique diminue, et les flux d’eau en leur direction sont atténués car le potentiel hydrique est élevé. Il se crée ainsi un gradient de pression hydrostatique décroissant entre les organes sources et les organes puits et l’eau repasse ensuite dans les vaisseaux lignifiés par osmose (Pfautsch, 2015). Les flux phloémiens ne varient pas de façon significative au cours du nycthémère chez la tomate, bien qu’une légère baisse de vélocité ait été observée au cours de la nuit (Windt et al., 2006). Une même constance d’évolution des vitesses de flux au cours de cycles jours nuits a été mise en évidence, toujours par des mesures RMN au niveau de l’hypocotyle du riz (Ricinus communis) (Peuke et al., 2001).
Rôle des flux dans la croissance du fruit
La croissance du fruit de tomate dépend des apports en eau, nutriments et autres assimilats provenant de la partie végétative de la plante. Après une intense phase de division pendant la phase précoce de développement, se produit la phase d’expansion cellulaire jusqu’à la maturation du fruit. Le processus d’expansion cellulaire est dû à une augmentation de la pression de turgescence vacuolaire ce qui induit un relâchement de la paroi et une croissance de la cellule. Il existe également une corrélation positive entre le phénomène d’endoréduplication, correspondant à une augmentation de la quantité d’ADN, et la croissance cellulaire (Deluche, 2015). La hausse de la pression de turgescence permettant la croissance du fruit est induite par une entrée d’eau au sein des cellules qui serait majoritairement due à un influx phloémien. En effet, différents travaux de recherche (Ho et al., 1987 ; Plaut et al., 2004) ont montré que le phloème participerait à hauteur de 80 à 90 % des apports en eau vers le fruit. Toutefois, l’apport de l’instrumentation IRM a soulevé une contradiction quant à cette contribution puisque les expériences de Windt et al. (2009), ont mis en lumière le fait que le xylème prendrait part à 75 % de l’influx au niveau du pédoncule, sur la base de mesures faites en amont de la zone d’abscission, et serait majoritairement responsable de l’entrée d’eau vers le fruit. Les influx xylémiens et phloémiens présentent des dynamiques opposées au cours du nycthémère puisqu’en effet l’entrée d’eau via le phloème est principalement diurne alors que l’influx xylémien est maximal durant la phase nocturne (Ho et al., 1987).
Sur la croissance du fruit Contrairement à la plante entière où le stress hydrique impacte à la baisse certains paramètres physiologiques, la croissance des fruits n’est que légèrement réduite au cours de l’application du stress (Kitano, 1996), mais les effets dépendent de nombreux facteurs dont la durée et l’intensité du stress, le stade de la plante ou le génotype (Ripoll et al., 2016). Le maintien de la croissance en cas de stress modéré s’expliquerait par le fait que les influx, à la fois phloémiens et xylémiens, sont maintenus lors de la période d’application du stress (Plaut et al., 2004). Toutefois, ces résultats sont en contradiction avec ceux trouvés par Van Ieperen et al. (2002), qui démontre une diminution de la croissance des fruits lorsque sont les apports en eau sont restreints. Cette diminution de la croissance semble s’expliquer par le fait que le stress hydrique induit une hausse de la résistance hydraulique xylémienne au niveau du pédoncule ce qui réduirait de ce fait les apports en eau xylémiens vers le fruit.
En cas de fortes chaleurs, vectrices d’une diminution de la teneur en eau du sol, le potentiel hydrique de la tige peut devenir inférieur à celui du fruit, et ainsi provoquer un efflux d’eau depuis le fruit vers la partie végétative plus demandeuse de par sa forte évapotranspiration. Cette hypothèse d’inversion des flux a pour la première fois été mise en évidence chez le pommier (Malus domestica) et la sortie d’eau se faisait par voie xylémienne (Lang, 1990). Chez la tomate la visualisation d’un efflux vers la partie végétative a pu être observée sans que ne soit caractérisé le système conducteur emprunté par l’eau sortant du fruit (Johnson et al., 1992). Cet efflux d’eau journalier est corrélé avec les observations de micro contractions de la tige durant la journée et avec le fait que la croissance des fruits est plus importante au cours de la nuit (Guichard, 1999 ; Johnson et al., 1992).
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Table des matières
Introduction
I.Présentation des structures d’accueil
1.1. Institut national de la recherche agronomique
1.1.1 Au niveau national
1.1.2 Unité PSH du Centre Provence-Alpes-Côte d’Azur
1.2 Plateforme BioNanoNMRI
1.3 Projet APLIM
II.Partie bibliographique
2.1 Etude des flux de la plante de tomate
2.1.1 Systèmes de transport de la plante de tomate
a- Voie xylémienne
Structure et rôle
Fonctionnement
b- Voie phloémienne
Structure et rôle
Fonctionnement
2.1.2 Rôle des flux dans la croissance du fruit
a- Influx d’eau
b- Flux au niveau de la zone d’abscission
2.1.3 Impact du déficit hydrique et carboné sur les flux
a- Sur la croissance de la plante
b- Sur la croissance du fruit
2.1.4 Modèle plante virtuelle
2.1.5 Technologies d’étude du statut hydrique et carboné de la plante
2.1.6 Apport de la technologie IRM-RMN pour l’étude des flux dans la plante
2.2 Phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire
2.2.1 Historique
2.2.2 Principe de la RMN
a- Notion de spin nucléaire
b- Origine du signal RMN
2.2.3- Détection du signal
a- Principe
b- Représentation électrocinétique de l’antenne
c- Rapport Signal sur Bruit
2.2.4 – Phénomène de relaxation
a- Relaxation longitudinale ou spin réseau
b- Relaxation transversale ou spin-spin
2.2.5 Imagerie par résonance magnétique nucléaire
2.3 Contexte et sujet de stage
II Matériel et méthodes
1.Evolution des temps de relaxation et du SNR selon la fréquence de résonance
1.1 Matériel
1.1.1 Matériel végétal
a- Variété
b- Conditions de culture
1.1.2 Instrumentation RMN
1.2 Méthodes
1.2.1 Mesure du T1
1.2.2 Mesure du T2
1.2.3 Mesure du SNR
1.3 Analyse des résultats
2.Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés au cours du nycthémère puis au cours d’un stress hydrique
2.1 Matériel
2.1.1 Matériel végétal
2.1.2 Instrumentation RMN
2.2 Méthodes
2.2.1 Dispositif expérimental
2.2.2 Conduite de l’essai
2.2.3 Mesures des différents biomarqueurs RMN
2.2.4 Analyse des résultats
3.Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés après défoliation
3.1 Matériel
3.1.1 Matériel végétal
3.2 Méthodes
3.2.1 Dispositif expérimental et conduite de l’essai
3.2.2 Mesures des différents biomarqueurs RMN
3.2.3 Analyse des résultats
4/Etude de l’évolution du T2 par suivi IRM
4.1 Matériel
4.1.1 Matériel végétal
4.1.2 Instrumentation RMN
4.2 Méthodes
4.2.1 Dispositif expérimental et conduite de l’essai
4.2.2 Mesure du T2
4.2.3 Analyse des résultats
III Résultats
1.Evolution des T1, T2 et du SNR selon f0 au sein d’une tige de tomate
1.1 Evolution des temps de relaxation selon f0 au sein d’une tige de tomate
1.2 Evolution du SNR selon f0 au sein d’une tige de tomate
2 .Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés au cours du nycthémère chez la tomate
2.1 Impact de cycles jours nuits sur la repousse longitudinale
2.1.1 Evolution du temps de relaxation T1
2.1.2 Etude de l’évolution des valeurs de SNR d’après une expérience de saturation
2.2 Impact de cycles jours nuits sur la repousse transversale
2.2.1 Etude de l’évolution du temps de relaxation T2
2.2.2 Etude de l’évolution des valeurs de SNR d’après une expérience CPMG
2.Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés au cours d’un stress hydrique chez la tomate
3.1 Impact d’un stress hydrique sur la repousse longitudinale et ses composants
3.1.1 Evolution du temps de relaxation T1
3.1.2 Etude de l’évolution des valeurs de SNR d’après une expérience de saturation
3.2 Impact d’un stress hydrique sur la repousse transversale et ses composants
3.2.1 Etude de l’évolution du temps de relaxation T2
3.2.2 Etude de l’évolution des valeurs de SNR d’après une expérience CPMG
4.Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés après défoliation
4.1 Etude de l’évolution du temps de relaxation T2
4.2 Etude de l’évolution du SNR d’après une expérience CPMG
5 Etude de l’évolution du T2 par suivi IRM
5.1 Répartition tissulaire des T2
5.2 Evolution des T2 au cours du nycthémère
Evolution des T1, T2 et du SNR selon f0 au sein d’une tige de tomate
2 .Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés au cours du nycthémère et au cours d’un stress hydrique chez la tomate
2.1 Suivi des temps de relaxation T1 et T2
2.2 Suivi du SNR
3.Recherche de biomarqueurs RMN des flux hydrocarbonés après défoliation
3.1 Suivi du temps de relaxation T2
3.2 Suivi du SNR
4.Caractérisation des flux hydrocarbonés
Conclusions et perspectives
Bibliographie
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