Modelling the mechanical behaviour of pit membranes in bordered pits with respect to cavitation resistance in angiosperms

Background and Aims Various correlations have been identified between anatomical features of bordered pits in angiosperm xylem and vulnerability to cavitation, suggesting that the mechanical behaviour of the pits may play a role. Theoretical modelling of the membrane behaviour has been undertaken, but it requires input of parameters at the nanoscale level. However, to date, no experimental data have indicated clearly that pit membranes experience strain at high levels during cavitation events. Methods Transmission electron microscopy (TEM) was used in order to quantify the pit micromorphology of four tree species that show contrasting differences in vulnerability to cavitation, namely Sorbus aria, Carpinus betulus, Fagus sylvatica and Populus tremula. This allowed anatomical characters to be included in a mechanical model that was based on the Kirchhoff–Love thin plate theory. A mechanistic model was developed that included the geometric features of the pits that could be measured, with the purpose of evaluating the pit membrane strain that results from a pressure difference being applied across the membrane. This approach allowed an assessment to be made of the impact of the geometry of a pit on its mechanical behaviour, and provided an estimate of the impact on air-seeding resistance. Key Results The TEM observations showed evidence of residual strains on the pit membranes, thus demonstrating that this membrane may experience a large degree of strain during cavitation. The mechanical modelling revealed the interspecific variability of the strains experienced by the pit membrane, which varied according to the pit geometry and the pressure experienced. The modelling output combined with the TEM observations suggests that cavitation occurs after the pit membrane has been deflected against the pit border. Interspecific variability of the strains experienced was correlated with vulnerability to cavitation. Assuming that air-seeding occurs at a given pit membrane strain, the pressure predicted by the model to achieve this mechanical state corresponds to experimental values of cavitation sensitivity (P50). Conclusions The results provide a functional understanding of the importance of pit geometry and pit membrane structure in air-seeding, and thus in vulnerability to cavitation

Mise au point méthodologique de l'analyse de la croissance longitudinale et du transfert d'information chez le peuplier

Diplôme : Master Recherch

Implication des propriétés physico-chimiques des ponctuations dans la vulnérabilité du xyleme à la cavitation. Aspects moléculaires et mécaniques.

Communication orale + résuméabsen

Physique et biologie moléculaire de la vulnérabilité du xylème à la cavitation

Vulnerability to cavitation is an important feature for drought tolerance of trees. Understanding of the molecular basis of vulnerability to cavitation would be useful to predict the behavior of natural populations in the context of changing climate. This work focuses on the physical and genetic basis of vulnerability to cavitation and targets pits because they represent main candidates for the spread of embolism in wood. We propose a model of the mechanical behavior of pits while cavitation occurs. The model shows how the pits geometry influences their mechanical properties and allows explaining interspecific variability of vulnerability to cavitation. On one hand, we constructed transgenic poplars modified for pectin metabolism. On the other hand, we showed that Arabidopsis thaliana is a model plant that can be used for the study of the molecular basis of vulnerability to cavitation. Studies of poplars’ transgenic lines and Arabidopsis thaliana mutant modified for a polygalacturonase highlights the involvement of pectins in vulnerability to cavitation. Our results suggest that pectins that are located on the annulus of the pit membrane have a role in vulnerability to cavitation.La vulnérabilité du xylème à la cavitation est un caractère déterminant pour la tolérance des arbres à une sécheresse extrême. La connaissance des bases moléculaires de caractère serait utile pour prévoir le comportement des populations naturelles et pour orienter les choix de culture dans un contexte de changement climatique. Ce travail de thèse porte sur les bases physiques et génétiques de la vulnérabilité à la cavitation en ciblant les ponctuations car il est désormais bien admis que les ponctuations des vaisseaux du xylème sont des structures clés de ce caractère. Nous proposons un modèle mécanique de comportement des ponctuations lors de la cavitation. Il démontre comment la géométrie des ponctuations détermine leurs propriétés mécaniques et permet d’expliquer la variabilité interspécifique de la vulnérabilité à la cavitation. Pour appréhender les bases génétiques, deux approches ont été développées. D’une part, nous avons construit des lignées transgéniques de peupliers modifiées pour le métabolisme des pectines. D’autre part, nous avons montré qu’Arabidopsis thaliana est une plante modèle qui permet de prospecter les bases génétiques de la vulnérabilité à la cavitation. L’étude des lignées transgéniques de peuplier et d’un mutant d’Arabidopsis thaliana modifiés pour l’expression de polygalacturonases met en évidence l’implication de ces enzymes et plus généralement des pectines dans la vulnérabilité à la cavitation. L’ensemble de nos résultats nous amène à proposer un rôle des pectines au niveau de l’anneau de la membrane des ponctuations, dans la vulnérabilité à la cavitation

Physics and molecular biology of xylem vulnerability to cavitation

La vulnérabilité du xylème à la cavitation est un caractère déterminant pour la tolérance des arbres à une sécheresse extrême. La connaissance des bases moléculaires de caractère serait utile pour prévoir le comportement des populations naturelles et pour orienter les choix de culture dans un contexte de changement climatique. Ce travail de thèse porte sur les bases physiques et génétiques de la vulnérabilité à la cavitation en ciblant les ponctuations car il est désormais bien admis que les ponctuations des vaisseaux du xylème sont des structures clés de ce caractère. Nous proposons un modèle mécanique de comportement des ponctuations lors de la cavitation. Il démontre comment la géométrie des ponctuations détermine leurs propriétés mécaniques et permet d’expliquer la variabilité interspécifique de la vulnérabilité à la cavitation. Pour appréhender les bases génétiques, deux approches ont été développées. D’une part, nous avons construit des lignées transgéniques de peupliers modifiées pour le métabolisme des pectines. D’autre part, nous avons montré qu’Arabidopsis thaliana est une plante modèle qui permet de prospecter les bases génétiques de la vulnérabilité à la cavitation. L’étude des lignées transgéniques de peuplier et d’un mutant d’Arabidopsis thaliana modifiés pour l’expression de polygalacturonases met en évidence l’implication de ces enzymes et plus généralement des pectines dans la vulnérabilité à la cavitation. L’ensemble de nos résultats nous amène à proposer un rôle des pectines au niveau de l’anneau de la membrane des ponctuations, dans la vulnérabilité à la cavitation.Vulnerability to cavitation is an important feature for drought tolerance of trees. Understanding of the molecular basis of vulnerability to cavitation would be useful to predict the behavior of natural populations in the context of changing climate. This work focuses on the physical and genetic basis of vulnerability to cavitation and targets pits because they represent main candidates for the spread of embolism in wood. We propose a model of the mechanical behavior of pits while cavitation occurs. The model shows how the pits geometry influences their mechanical properties and allows explaining interspecific variability of vulnerability to cavitation. On one hand, we constructed transgenic poplars modified for pectin metabolism. On the other hand, we showed that Arabidopsis thaliana is a model plant that can be used for the study of the molecular basis of vulnerability to cavitation. Studies of poplars’ transgenic lines and Arabidopsis thaliana mutant modified for a polygalacturonase highlights the involvement of pectins in vulnerability to cavitation. Our results suggest that pectins that are located on the annulus of the pit membrane have a role in vulnerability to cavitation