Physique des plantes : résoudre le mystère de la réparation de l'embolie chez les plantes après une période de sécheresse

Le Contexte

Si les plantes n'ont pas de cœur pour pomper l'eau du sol, elles ont la capacité de réduire fortement leur pression interne dans les feuilles. Là, l'évaporation entraîne une forte baisse de la pression, pouvant atteindre -190 bars par temps sec ! Cependant, sous ces pressions négatives, l'eau peut produire une cavitation avec la nucléation soudaine de bulles. La croissance de ces bulles induit une embolie gazeuse, remplissant progressivement les réseaux hydrauliques d'air. Cela arrête la circulation de l'eau et conduit finalement à la mort des arbres.

On ne comprend pas vraiment comment une plante peut se remettre d'un tel événement [1], certaines études parlant de « miracle » [2], d'autres suggérant son impossibilité et la nécessité de la croissance de nouveaux tissus [3]. Une hypothèse émergente se concentre sur les solutés (sels, sucres) pour déclencher la nucléation et la croissance de nouvelles gouttelettes, qui rempliront les parties sèches du circuit hydraulique.

Objectifs

L'objectif principal du stage est de comprendre la physique du remplissage en présence de solutés. Notre approche consistera à fabriquer des feuilles biomimétiques constituées d'une fine couche de silicone transparent (PDMS), dans laquelle nous concevons une puce microfluidique avec des canaux (Fig. a) où le remplissage peut être quantifié par analyse d'images [4]. Le silicone est en effet poreux à la vapeur d'eau, ce qui permet l'évaporation ou la condensation. Le stagiaire étudiera la dynamique du remplissage de canaux asséchés initialement remplis de cristaux de sel/sucre (Fig. b). Nous envisagerons deux stratégies : (i) placer la puce dans un environnement humide, (ii) concevoir des canaux voisins remplis d'eau (ce qui se produit dans les plantes, où la sève circule dans deux réseaux distincts de canaux), et pouvant également apporter de l'humidité. Ce stage est principalement expérimental, mais implique également la modélisation de la dynamique de remplissage observée.

Résultats

Nous souhaitons démontrer que le rôle physique des solutés est essentiel à la survie des plantes, fournissant ainsi des indices pour résoudre le mystère de la réparation de l'embolie.

Environnement

Le Laboratoire Interdisciplinaire de Physique est situé sur le campus de Grenoble, France.

Encadrement

L'étudiant travaillera en équipe avec Philippe Marmottant et Benjamin Dollet. À noter que nous collaborerons sur ce sujet avec une équipe au Danemark (groupe de Kaare Jensen, Université technique du Danemark), spécialisée dans les flux dans les plantes.

Bibliographie

[1] Brodersen, C. et al., "Maintenance of Xylem Network Transport Capacity: A Review of Embolism Repair in Vascular Plants", Frontiers in Plant Science 4 (2013).

[2] Holbrook, N. M. "Embolism Repair and Xylem Tension: Do We Need a Miracle?" Plant Physiology 7-10 (1999).

[3] Choat, B et al. "Non-Invasive Imaging Shows No Evidence of Embolism Repair after Drought in Tree Species of Two Genera" Tree Physiology 39, 113-21 (2019).

[4] L. Keiser, B. Dollet, P. Marmottant Embolism propagation in Adiantum leaves and in a biomimetic system with constrictions J. R. Soc. Interface 21:20240103 (2024).