Modélisation du transport radial de l'eau dans les systèmes racinaires

Modeling of the Radial Transport of Water in Root Systems

• Auteur / Autrice : Morgane Lendrin
• Direction : Didier Felbacq
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Physique Théorique

Mots clés

Mots clés libres

Biologie

Modélisation

Transport

Biology

Modelisation

Transport

Résumé

L'absorption d'eau par les racines des plantes est un processus clé pour leur survie. Dans le contexte du changement climatique, la pénurie d'eau exerce une pression sur les conditions agricoles. Une meilleure compréhension du transport de l'eau dans les plantes est susceptible d'apporter des avancées importantes pour la recherche fondamentale et appliquée liée au fonctionnement et à l'adaptation des plantes. La première étape de ce transport est appelée « transport radial de l'eau », au cours de laquelle l'eau s'écoule à travers les divers tissus de la racine vers les vaisseaux du xylème transportent l'eau vers le reste de la plante. Le transport radial de l'eau est un processus biologique impliquant le passage à travers divers tissus et couches cellulaires via des surfaces ou des volumes. Il est d'une importance majeure que ces surfaces biologiques puissent réguler leurs propriétés de transport (c'est-à-dire leurs perméabilités hydrauliques) en réponse à des conditions environnementales changeantes et difficiles, avec pour conséquence de préserver la vie de l'organe tout en assurant que l'eau puisse être fournie au reste de la plante. Cependant, l'étude de telles régulations au niveau subcellulaire ou cellulaire est presque inaccessible expérimentalement à l'heure actuelle. Le transport radial de l'eau doit également être interprété comme un processus physique, où le flux d'eau peut être décrit par des équations impliquant un gradient de potentiel hydrique, et des perméabilités hydrauliques. Les modèles numériques sont très importants pour comprendre la régulation du transport de l'eau car ils permettent aux biologistes d'accéder in silico à ce qui ne peut être mesuré in vivo. Cependant, les modèles actuels présentent deux limites que nous considérons comme prohibitifs pour le développement de modèles numériques prédictifs : 1. Tous les modèles assimilent une cellule à un point unique et homogène, sans tenir compte de sa géométrie ou de l'hétérogénéité du potentiel hydrique ; 2. La paramétrisation et la validation expérimentale des modèles sont soit rares, soit totalement absentes. Cela peut entraîner des problèmes de corrélation entre le modèle et la réalité. Le travail de thèse s'appuiera sur un code d'éléments finis déjà développé et permettant de résoudre une équation de transport dans une géométrie complexe de racine. Les objectifs de la thèse sont les suivants : • Développer une nouvelle méthode pour résoudre le problème multi-échelle. Actuellement, le maillage requis pour l'implémentation de la méthode des éléments finis doit couvrir 4 ordres de grandeur de longueurs, de la membrane plasmique à la section racinaire. Nous remplacerons l'épaisseur de la membrane par une condition d'interface effective. Cela réduira le temps de calcul de plusieurs jours à quelques heures. • Explorer la gamme des paramètres hydrauliques Les travaux préliminaires suggèrent qu'il existe des zones non-linéaires, dans lesquelles la configuration des paramètres hydrauliques constitue un point de transition pour favoriser le flux d'eau à travers les cellules ou à travers l'apoplaste. Cette propriété émergente est importante pour comprendre la rapidité de l'adaptation des plantes lorsqu'elles sont confrontées à un environnement difficile. • Différencier le potentiel hydrique en ses composants osmotiques et hydrostatiques. Le transport de l'eau met en jeu deux grandeurs distinctes : le potentiel hydrique et le potentiel osmotique. Dans le modèle actuel, ces deux grandeurs sont fusionnées en un potentiel effectif unique. Il s'agira de développer un modèle permettant de distinguer ces deux grandeurs. • Extension du modèle au domaine temporel. Le modèle actuel est stationnaire. Afin de rendre compte de l'adaptation de la plante à un environnement changeant, il est nécessaire d'étendre le modèle au domaine temporel, notamment en prenant en compte les déformations mécaniques de gonflement et dégonflement des tissus.

Water absorption by plant roots is a key process for their survival. In the context of climate change, water scarcity puts pressure on agricultural conditions. A better understanding of water transport in plants is likely to bring significant advances in both fundamental and applied research related to plant functioning and adaptation. The first step of this transport is called 'radial water transport,' during which water flows through the various tissues of the root to the xylem vessels, which transport water to the rest of the plant. Radial water transport is a biological process involving the passage through various tissues and cell layers via surfaces or volumes. It is of major importance that these biological surfaces can regulate their transport properties (i.e., their hydraulic permeabilities) in response to changing and challenging environmental conditions, thereby preserving the life of the organ while ensuring that water can be supplied to the rest of the plant. However, studying such regulations at the subcellular or cellular level is currently almost experimentally inaccessible. Radial water transport must also be interpreted as a physical process, where water flow can be described by equations involving a water potential gradient and hydraulic permeabilities. Numerical models are very important for understanding the regulation of water transport because they allow biologists to access in silico what cannot be measured in vivo. However, current models have two limitations that we consider prohibitive for the development of predictive numerical models: 1. All models assimilate a cell to a single, homogeneous point, without considering its geometry or the heterogeneity of the water potential; 2. The parameterization and experimental validation of models are either rare or entirely absent. This can lead to issues of correlation between the model and reality. The thesis work will build on an already developed finite element code that solves a transport equation in a complex root geometry. The objectives of the thesis are as follows: - Develop a new method to solve the multi-scale problem. Currently, the mesh required for implementing the finite element method must cover four orders of magnitude in lengths, from the plasma membrane to the root section. We will replace the membrane thickness with an effective interface condition. This will reduce computation time from several days to a few hours. - Explore the range of hydraulic parameters. Preliminary work suggests that there are non-linear zones, in which the configuration of hydraulic parameters constitutes a transition point to favor water flow through cells or through the apoplast. This emerging property is important for understanding the speed of plant adaptation when faced with a challenging environment. - Differentiate the water potential into its osmotic and hydrostatic components. Water transport involves two distinct quantities: water potential and osmotic potential. In the current model, these two quantities are merged into a single effective potential. The goal will be to develop a model that distinguishes these two quantities. - Extend the model to the time domain. The current model is stationary. To account for plant adaptation to a changing environment, it is necessary to extend the model to the time domain, notably by taking into account the mechanical deformations of tissue swelling and shrinking.