Physique et biologie moléculaire de la vulnérabilité du xylème à la cavitation Aude Tixier To cite this version: Aude Tixier. Physique et biologie moléculaire de la vulnérabilité du xylème à la cavitation. Sciences agricoles. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2013. Français. NNT : 2013CLF22420. tel-00968059 HAL Id: tel-00968059 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00968059 Submitted on 31 Mar 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE LA VIE, SANTE, AGRONOMIE, ENVIRONNEMENT Présentée à l’Université Blaise Pascal Pour l’obtention du grade de DOCTEUR D’UNIVERSITE Spécialité : Physiologie et Génétique moléculaires Aude TIXIER Date de soutenance le 16 décembre 2013 PHYSIQUE ET BIOLOGIE MOLECULAIRE DE LA VULNERABILITE DU XYLEME A LA CAVITATION Rapporteurs Sylvain Delzon Chargé de recherche, Université de Bordeaux Mylène Durand-Tardif Directeur de recherche, INRA, Versailles Examinateurs Jean-Louis Julien Professeur, Université Blaise Pascal Eric Badel Chargé de recherche, INRA, Clermont-Ferrand Stéphane Herbette Maître de conférences, Université Blaise-Pascal (directeur de recherche) Steven Jansen Professeur, Université d’Ulm (directeur de recherche) ABBREVIATIONS A : assimilation nette de CO2 GDP : guanosine diphosphate Ap : Aire de ponctuation GFP : Green Fluorescent Protein As : surface de section de bois fonctionnel de GIEC : Groupe Intergouvernemental d’Expert la tige sur l’évolution du Climat ADN : Acide désoxyribonucléique GMD : GDP mannose 4-6 dehydratase ADNc : ADN complémentaire GUS : glucuronosidase ADNg : ADN génomique gs : conductance stomatique ADNp : ADN plasmidique H : Heure AFM : Atomic Force Microscopy HG : Homogalacturonanes AGA : Apiogalacturonanes IMFT : Institut de Mécanique des Fluides de ANOVA : Analyse de variance Toulouse ANR : Agence Nationale de la recherche k : conductance ARN : Acide ribonucléique Kh : Conductivité hydraulique (mesurée) AXS : Apiose xylose synthase Kht : Conductivité théorique b : diamètre de la lumière d’un vaisseau kJ : kilo Joule BIA : Unité INRA Biopolymères, Interactions, Ks : Conductivité spécifique Assemblages Khts : Conductivité théorique spécifique BP : réaction de recombinaison entre site attB L : Longueur de segment de tige ou de et attP vaisseaux (m) CamR : gène de résistance au chloramphénicol LB : bordure gauche ccdB : inhibiteur de girase A462 LR : réaction de recombinaison entre site attL Csl : Cellulose synthase like et attR CT : Cycle seuil (threshold cycle) M : Margo D : diamètre de vaisseau MAP : microtubule associated protein DIG : digoxygénine MET : Microscopie électronique à D.O : densité optique transmission E : Taux d’évaporation MEB : Microscopie électronique à balayage FAA : formol, acide acétique, alcool (éthanol) MPa : Méga Pascal Fc : Intervessel contact fraction MS : Matière sèche FPF : Intervessel pit-field fraction NCBI : National center for biotechnology FW : Amorce sens (forward) information gb : Conductance de la couche limite nt : nucléotides ONF : Office National des Forêts v : Volume P : Pression VPD : vapor pressure deficit Pe : pression d’entrée WUE : Water Use efficiency P50 : pression su xylème induisant 50% de XGA : xylogalacturonanes perte de conductance XTH : xyloglucane endo transglucosylase Pa : Pascal η: viscosité de l’eau PB : Lignée transgénique PitBulle τ : tension de surface de l’eau PCR : Polymerase chain reaction Ψ : Potentiel hydrique pDEST : plasmide de destination : densité de l’eau pDONR : plasmide donneur PEG : polyéthylène glycol pENTR : plasmide d’entrée PG : Polygalacturonase pEXPR : plasmide d’expression PIAF : UMR Physique et physiologie de l’arbre fruitier et forestier PLC : Pourcentage de perte de conductance PME : pectine méthylestérase R : Résistance RB : bordure droite RG-II : rhamnogalacturonane RT : reverse transcription RV : Amorces antisens (reverse) S : pente de courbe de vulnérabilité à la cavitation au niveau de P50 SD : écart-type SE : erreur standard SNP : Single Nucleotide Polymorphism SVP : Saturated vapor pressure t : épaisseur de la paroi des vaisseaux T : Torus T35S : Terminateur 35S Tm : Température d’hybridation des amorces TDZ : thiadiazuron UDP : Uridine diphosphate SOMMAIRE INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE ....................................... 1 I PROPRIETES HYDRIQUES DE LA PLANTE ............................................................................ 3 1) Quelques propriétés de l’eau ................................................................................. 3 2) Notions de potentiel hydrique ................................................................................ 5 3) Potentiels hydriques dans la plante ........................................................................ 7 II FONCTIONNEMENT ET ARCHITECTURE HYDRAULIQUE DE LA PLANTE ............................... 9 1) Fonctionnement hydraulique ................................................................................. 9 a. La théorie de la tension-cohésion .................................................................................. 9 b. Les voies de circulation de l’eau dans les plantes ........................................................ 11 2) Le paradigme de la nutrition des plantes : mourir de faim ou de soif ? .................. 13 3) Impacts de la sècheresse .................................................................................... 15 a. Contexte de changements climatiques et impacts écologiques et économiques ....... 15 b. Impacts sur la productivité et la survie ....................................................................... 17 4) La résistance à la sécheresse ............................................................................... 19 III STRUCTURE ET FORMATION DU XYLEME ET DES PONCTUATIONS .................................. 27 1) Structure du xylème et xylogenèse ....................................................................... 27 a. Structure du xylème et variabilité interspécifique ....................................................... 27 b. Xylogénèse et mise en place des cellules conductrices .............................................. 35 2) Structure et synthèse des ponctuations ............................................................... 38 a. Contrôle génétique de l’organisation des ponctuations ............................................. 39 b. Structure des ponctuations entre cellules conductrices ............................................. 39 c. Composition des membranes de ponctuations ........................................................... 41 d. Variabilité structurelle des ponctuations .................................................................... 43 e. Tori et pseudo-tori chez les angiospermes .................................................................. 45 f. Ornementations des ponctuations d’angiospermes .................................................... 49 IV PROPRIETES HYDRAULIQUES DU XYLEME ET EFFICIENCE DU TRANSPORT DE L’EAU ....... 53 1) Les variables hydrauliques .................................................................................. 53 2) Propriétés du xylème contrôlant l’efficience hydraulique ..................................... 53 a. Structure du xylème et conductance hydraulique ........................................................ 53 b. Contrôle ionique de la conductance des vaisseaux ....................................................... 59 V VULNERABILITE A LA CAVITATION ET SECURITE DU TRANSPORT DE L’EAU ..................... 63 1) Un paramètre clé de la résistance à la sècheresse................................................. 63 2) Mécanismes de cavitation .................................................................................. 63 3) Techniques de mesures de la vulnérabilité à la cavitation .................................... 67 4) Variabilité de la vulnérabilité à la cavitation ........................................................ 69 5) Résorption de l’embolie et fatigue de la cavitation ............................................... 73 6) Compromis entre résistance à la cavitation et les propriétés du bois .................... 75 7) Les ponctuations : structures clés de la vulnérabilité à la cavitation ...................... 77 a. Implication du nombre de ponctuations ...................................................................... 77 b. Aspects qualitatifs des ponctuations chez les gymnospermes .................................... 79 c. Aspects qualitatifs des ponctuations chez les angiospermes ...................................... 81 VI OBJECTIFS DE THESE .................................................................................................... 85 RESULTATS ........................................................................... 93 CHAPITRE 1 ..........................................................................................