Biomécanique de l'interaction racine-obstacle

Plant roots interacting with mechanical obstacles mimicking a granular soil

• Auteur / Autrice : Manon Quiros
• Direction : Evelyne Kolb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/03/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Hayat El Maarouf-Bouteau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Moulia, Anne Sara Puijalon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arezki Boudaoud, Alexia Stokes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Biomécanique

Plantes -- Morphogenèse

Sols -- Qualité

Croissance

Racines (botanique)

Mots clés libres

Racines

Biomécanique

Interaction sol-racine

Morphogénèse

Biophysique

Modèle de Lockhart

Plant Roots

Biomechanics

Root-soil interaction

Morphogenesis

Biophysics

Lockhart model

Résumé

La croissance racinaire est fortement réduite dans des sols compacts, ce qui affecte la croissance de la plante dans son ensemble. A l'échelle de la racine, le sol est physiquement hétérogène et la racine en croissance qui rencontre une interface rigide comme une pierre ou un agrégat va être soumise à une augmentation de la résistance axiale à la pénétration, c'est-à-dire à une force qui s'oppose à sa croissance. De façon à reproduire les mécanismes à l'œuvre lorsqu'une racine rencontre un obstacle, nous avons mis en place une expérience modèle couplant mesures de force racinaire et suivi cinématique de sa croissance. Plus précisément, nous avons réalisé un suivi spatio-temporel sous éclairage infra-rouge de la croissance de racines de maïs canalisées dans un gel d'agarose et contactant un capteur de force (jouant le rôle d'obstacle) pour suivre la force racinaire de poussée contre l'obstacle (et donc la force appliquée sur la racine). L'évolution du champ de vitesse de croissance le long de la racine est obtenue grâce à une analyse cinématique de la texture racinaire se basant sur une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV). Un modèle sans paramètre ajustable et basé sur les lois de Lockhart prédit quantitativement comment la force au contact de l'obstacle modifie plusieurs paramètres caractéristiques de la croissance (longueur de la zone d'élongation, taux d'élongation maximal, et vitesse) au cours des 10 premières minutes du contact. Ces résultats suggèrent une grande ressemblance entre les premières réponses en croissance déclenchées par une contrainte directionnelle (tel qu'un contact) ou par une perturbation isotrope (tel qu'un bain hyperosmotique). Dans un deuxième temps, nous avons également étudié les propriétés mécaniques in situ de la racine en croissance grâce à l'adaptation du système expérimental précédent pour contrôler l'indentation de compression dans la racine. Les mesures cinématiques ont permis d'évaluer le champ de compression dans la racine, tandis que le suivi de la force a permis d'étudier la relaxation du tissu racinaire face à la contrainte de compression. Grâce au couplage des mesures de force et de cinématique, nous avons été en mesure d'évaluer les modules d'Young le long de la racine et de caractériser les propriétés poroélastiques du tissu racinaire. En particulier, nous avons pu montrer que la zone mature est beaucoup plus rigide que la zone d'élongation.

Plant root growth is dramatically reduced in compact soils, affecting the growth of the whole plant. At the root scale, the soil is physically heterogeneous and the growing root encountering a hard interface such as a stone or a strong aggregate will first face an increase of the axial resistance to penetration, i.e. a growth-opposing force. To mimic the strongest soil impedance variation encountered by a growing root, we built a model experiment system coupling force and kinematics measurements and probed the force-growth relationship of a primary root contacting a stiff resisting obstacle. Namely, the growth of maize roots just emerging from a corseting agarose gel and contacting a force sensor (acting as an obstacle) was monitored by time-lapse imaging under infra-red lighting simultaneously to the force applied by the root on the obstacle (and thus the force applied on the root). The evolution of the velocity field along the root was obtained from kinematics analysis of the root texture with a particle image velocimetry driven technique. A parameter-free model based on the Lockhart law was developed to quantitatively predict how the force at the obstacle modifies several features of the root growth parameters (length of the growth zone, maximal elongation rate and growth velocity) during the first 10 minutes. These results suggest a strong similarity of the early growth responses elicited either by a directional stress (contact) or by an isotropic perturbation (hyperosmotic bath). The in situ mechanical properties of the growing root were also probed using an adaptation of the original experimental setup allowing for a direct control of the indentation applied on the root during compression tests. Kinematics measurements provided information about the compression field along the root. Force measurements provided information about relaxation of the root tissue. From the coupling of force and kinematic measurements we derived the Young's moduli of the root along its axis and characterized its poroelastic properties. Namely we showed that the elongation zone is much softer than the mature zone.