Développement d'un capteur RMN portable pour évaluer in situ l'état hydrique des racines de plantes prairiales

Development of a portable NMR sensor to measure in situ root water status of grassland species

• Auteur / Autrice : Magali Nuixe
• Direction : Catherine Picon-Cochard, Amidou Sissou Traoré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Biologique
• Date : Soutenance le 07/03/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de la recherche agronomique (France). Unité de Recherche Qualité des Produits Animaux (Clermont-Ferrand, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Legué
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Doussan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maja Musse, Christophe Goze-Bac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie des prairies

Mots clés libres

IRM compacte

T2

Bas champ magnétique

Rhizotron

Herbacées

Écophysiologie

Prairies

Racines

Compact MRI

T2

Low magnetic field

Rhizotron

Herbaceous species

Ecophysiology

Grasslands

Roots

Résumé

Les écosystèmes prairiaux sont un des principaux écosystèmes terrestres permettant de limiter le réchauffement climatique grâce à leur forte capacité à séquestrer le carbone. Les flux de sève ascendant et descendant jouent un rôle primordial dans ce processus en amenant l'eau nécessaire à la réalisation de la photosynthèse puis en transportant les produits carbonés vers les puits de carbone. Dans le cas des prairies, cette séquestration a principalement lieu dans le sol sous forme de matières organiques issues de l'accumulation et de la décomposition de la biomasse racinaire. Les racines, qui permettent d'absorber l'eau du sol et de répondre à la demande transpiratoire, ont donc un rôle primordial dans ce processus de séquestration. Dans le contexte actuel de changement climatique, une meilleure compréhension de ces mécanismes de transport est indispensable pour s'assurer que ces écosystèmes puissent continuer à jouer leur rôle.La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode non destructive, non invasive et non ionisante qui permet notamment l'étude des noyaux d'hydrogène de l'eau permettant ainsi la caractérisation de l'état hydrique des plantes. Grâce à la diversité des paramètres mesurables comme les temps de relaxation longitudinale et transversale ou le coefficient de diffusion, la distribution de l'eau ou encore sa mobilité peuvent être caractérisées selon les différentes populations d'eau présentes dans les tissus biologiques. Par ailleurs, la RMN n'est pas limitée par l'opacité des milieux. Ainsi, elle peut être employée pour étudier les organes souterrains des plantes. Toutefois, la majorité des dispositifs RMN de laboratoire ne permet pas de réaliser ces mesures dans l'environnement naturel des plantes, i.e., in situ.Mon travail de thèse a donc été de démontrer la faisabilité et l'intérêt de l'IRM portable, à bas champ magnétique, pour caractériser l'état hydrique des racines de plantes prairiales. Pour cela, des rhizotrons contenant des monocultures d'herbacées ont été étudiés en conditions environnementales contrôlées. Il a ainsi été démontré que l'IRM portable permet (i) d'estimer la quantité d'eau dans les racines, (ii) de révéler un rythme nycthéméral du signal RMN provenant des racines en lien avec la transpiration, (iii) de mettre en évidence les effets d'un stress hydrique intense sur ce signal et (iv) de suivre la réhydratation d'une plante après application d'un stress hydrique.

Grassland ecosystems are one of the most important terrestrial ecosystems for mitigating global warming because of their strong capacity to sequester carbon. The upward and downward flow of sap play a key role in this process by bringing water necessary for photosynthesis and then transporting the carbon products to the carbon sinks. In the case of grasslands, this sequestration takes place mainly in the soil organic matter originated from accumulation and decomposition of root biomass. The roots, which allow to absorb water from the soil, thus answering the transpiration demand, have a primordial role in this sequestration process. In the current context of climate change, a better understanding of these transport mechanisms is essential to ensure that these ecosystems can continue to play their role.Nuclear magnetic resonance (NMR) is a non-destructive, non-invasive and non-ionizing method that allows the study of the hydrogen nuclei of water, thus allowing the characterization of the water status of plants. Thanks to the diversity of measurable parameters such as longitudinal and transverse relaxation times or the diffusion coefficient, the distribution of water or its mobility can be characterized according to the different water populations present in biological tissues. Moreover, NMR is not limited by the opacity of the media. Thus, it can be used to study the underground organs of plants. However, the majority of laboratory NMR devices do not allow to perform these measurements in the natural environment of plants, i.e., in situ.My thesis work was therefore to demonstrate the feasibility and the interest of portable MRI to characterize the water status of grassland plant roots. For this purpose, rhizotrons containing monocultures of herbaceous species were studied under controlled environmental conditions. It was demonstrated that portable MRI allows to (i) estimate the amount of water in roots, (ii) reveal a nychthemeral rhythm of the root NMR signal in relation with transpiration, (iii) show the effects of intense water stress on this signal and (iv) follow the rehydration of a plant after a hydric stress.