A dynamical model of plant growth with full retroaction between organogenesis and photosynthesis

International audienceIn this paper are presented new mathematical developments in plant growth modelling and simulation. GreenLab Model is a functional-structural plant growth model, it combines both organogenesis (architecture) and photosynthesis (biomass production and repartition). New improvements concern the retroaction of photosynthesis on organogenesis. We present in this paper the influence of available biomass on the number of metamers in a growth unit and on the branching. The general theory is introduced and applied to simple trees. Some interesting behaviours are underlined.Dans ce papier sont présentés de nouveaux développements mathématiques en modélisation et simulation de la croissance des plantes. GreenLab est un modèle structure-fonction, qui combine l’organogenèse (architecture) et la photosynthèse (production et répartition de biomasse). La rétroaction entre la photosynthèse et l’organogenèse est introduite ici. Nous présentons l’influence de la biomasse disponible sur le nombre de métamères par unité de croissance etsur le démarrage des bourgeons. La théorie est ensuite appliquée à des modèles d’arbre simples, dont on étudie divers comportements

Etude du développement spatio-temporelle d'un plant de fraisier

In strawberry, the balance between flowering and vegetative development, including the production of stolons (elongated stems carrying the daughter plants), conditions the yield of the plant. The objective of the thesis was to better understand the developmental processes of strawberry plant, namely flowering, the vegetative development of axes and runnering, through a spatio-temporal study. Three complementary approaches have been developed on seasonal flowering varieties planted in "soilless" conditions: (1) modeling the weekly emergence of flowers, leaves and stolons by a longitudinal segmentation analysis, (2) spatio-temporal analysis of plant architecture during a seasonal production and (3) expression of key genes related to flowering. (1) Univariate multiple change-point models applied to each phenological variable were based on the assumption that phase changes were synchronous between individuals of a given variety. These models allowed to identify phases for each variety and each type of organ. Multivariate multiple changepoint models combining the three types of organ highlighted a strong structuring of strawberry development by flowering and runnering. Moreover, the varieties can be grouped into two profiles of flowering with the presence or not of a second period of flowering. Finally, the stolon emergence models show a synchronism suggesting a strong environmental effect. (2) Spatio-temporal analysis of the architecture relied on a multi-scale tree graph allowing visual representation and topological analysis of plant development. This analysis revealed early topological differences as well as different strategies of development between varieties. These differences in development partially explain the different flowering patterns. (3) Among the genes studied for their expression during the cultivation of strawberry plants, SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1) appears as a marker of vegetative development and stolon emergence. An architectural approach was also initiated on the diploid strawberry. First results allowed to better specify the fate of axillary meristems. In conclusion, this work allowed to evaluate the varieties in production condition and to identify selection criteria for the development of new varieties. It has also allowed the development of new tools that can be used by breeders and experimenters.Chez le fraisier la balance entre floraison et développement végétatif incluant la production de stolons (tiges allongées portant les plants filles) conditionne le rendement du plant. L’objectif de la thèse était d’obtenir une meilleure compréhension des processus de développement du fraisier, la floraison, le développement végétatif des axes et le stolonnage, grâce à une étude spatio-temporelle. Trois approches complémentaires ont été développées sur six variétés non-remontantes plantées en conditions « hors sol » : (1) la modélisation des profils d’émergence hebdomadaire de fleurs, feuilles et stolons par une analyse de segmentation longitudinale, (2) l’analyse spatio-temporelle de l’architecture des plants durant une saison de production et (3) le suivi de l’expression de gènes clés liés à la floraison. (1) Les modèles univariés de détection de ruptures appliqués à chaque variable phénologique étaient basés sur l’hypothèse que les changements de phases sont synchrones entre les individus d’une même variété. Ces modèles ont permis d’identifier des phases pour chacune des variétés et chacun des trois types d’organe. Les modèles de détection de ruptures multivariés combinant les trois types d’organes ont permis de mettre en évidence une forte structuration du développement du fraisier par la floraison et le stolonnage. De plus, les variétés se regroupent autour de deux profils de floraison avec la présence ou pas d’un deuxième pic de floraison. Enfin, les modèles d’émergence de stolon montrent un synchronisme suggérant un fort effet environnemental. (2) L’analyse spatio-temporelle de l’architecture s’est basée sur un modèle de graphe arborescent multi-échelle, permettant une représentation visuelle et une analyse de la topologie du plant au cours de son développement. Cette analyse a permis de mettre en évidence des différences topologiques précoces ainsi que différentes stratégies de développement entre les variétés. Ces différences de développement expliquent en partie les différents profils de floraison. (3) Parmi les gènes étudiés pour leur expression au cours de la culture des plants de fraisier, SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1) apparait comme un marqueur de développement végétatif et de l’émergence des stolons. Une approche architecturale a également été initiée sur le fraisier diploïde. Les premiers résultats ont permis de mieux préciser le devenir des méristèmes axillaires. En conclusion, ce travail a permis d’évaluer les variétés en condition de production et d’identifier des critères de sélection pour le développement de nouvelles variétés. Il a également permis de développer de nouveaux outils qui pourront être utilisés par les sélectionneurs et les expérimentateurs

Propriétés radiatives des couronnes de Noyers (Juglans nigra x J. regia) et croissance des pousses annuelles - Influence de la géométrie du feuillage, de la position des pousses et de leur climat radiatif

Th-0602Modelling tree architectural development according to environmental factors is an emerging field ofresearch thanks to the development of adequate computational methods. However, modelling virtualplants is greatly constrained by the difficulty in collecting the architectural and geometric data of woodyarchitecture and foliage. Moreover, partial understanding of functional processes that drive shoot growthlimits the analysis and the modelling of the processes involved. Cross-fertilization of insights intoarchitectural and morphological variability of Walnut tree on the one hand, and into growth physiology onthe other hand, enables to better understand crown development. Thanks to 3-dimensional measurementsof topology and geometry made on 7 to 9 years-old Walnut trees, we have analysed the impact on lightinterception of variables required for virtual plant modelling that are tedious to measure and that renderextrapolation methods necessary. Secondly, we quantified the part of variance of growth variables whichcan be explained by radiation intercepted by comparison with other factors such as topological position.Our results point out the limitations of using allometric relationships and statistical laws for thereconstruction of 3D canopies. Leaf clumping inside the crown, including the clumping of leaflets at leafscale, strongly determines the radiative properties of reconstructed crowns. Thanks to an approach basedon correlations and statistics, an effect of light intercepted by mother shoots on the growth of daughtershoots was established. Strong correlations between shoot vigour (quantified by an index) and the lengthof the pathway between the collar and shoots on the one hand and shoot growth on the other handsuggest an effect of hydraulic architecture.La modélisation du développement architectural des arbres en réponse aux facteurs environnementaux est un thème de recherche en plein essor grâce au développement récent de méthodes informatiques adéquates. Cependant, l'utilisation de couronnes 3D est fortement contrainte par la difficulté à collecter les données architecturales et géométriques nécessaires à leur reconstruction. Par ailleurs, la compréhension partielle des processus fonctionnels contrôlant la croissance des pousses au sein des couronnes limite actuellement l'analyse et la modélisation des processus impliqués. La confrontation des connaissances acquises sur la variabilité architecturale et morphologique du Noyer d'une part, et celles acquises sur la physiologie de sa croissance d'autre part offre la possibilité de mieux comprendre le développement de la couronne. A partir de mesures et d'échantillonnage de la topologie et de la géométrie de Noyers hybrides âgés de 7 à 9 ans, nous avons analysé l'impact sur l'interception de la lumière de variables nécessaires à la reconstruction de plantes virtuelles mais dont la mesure nécessite un travail long et difficile qui rend indispensable l'utilisation de méthodes d'extrapolation. Puis, nous avons quantifié la part de variance des variables de croissance qui peut être attribuée à la lumière interceptée vis-à-vis d'autres facteurs tels que la position topologique. Nos résultats quantifient les biais introduit par l'utilisation de relations allométriques et de lois statistiques pour reconstruire des couronnes tridimensionnelles de différentes tailles. Nous avons montré que l'agrégation du feuillage au sein de la couronne, y compris à l'échelle des feuilles (composées de folioles), détermine fortement les propriétés radiatives des couronnes reconstruites. Grâce à une approche corrélative et statistique, un effet de la lumière interceptée par les pousses mères sur la croissance des pousses filles a été mis en évidence. Les fortes corrélations observées entre d'une part la vigueur des pousses (quantifiée par un indice) et la longueur du chemin entre le collet et les pousses et d'autre part leur croissance suggèrent un rôle de l'architecture hydrauliqu

Etude des interactions feuille/lumière et de leurs implications pour le phénotypage haut débit au champ

NcCe travail de thèse s’inscrit dans le cadre des problématiques liées au phénotypage haut débit des plantes au champ. L’objectif est de réaliser des mesures non destructives à distance, rapides et pertinentes pour caractériser le peuplement végétal ainsi que les organes (feuilles, tiges, épis) qui le constituent. Ce travail de thèse s’articule en deux axes : Un axe plutôt opérationnel où les méthodes existantes, généralement issues de la communauté de télédétection peuvent être adaptées à cette nouvelle problématique. A l’échelle de l’organe (la feuille) l’inversion du modèle de transfert radiatif PROSPECT est testée pour discriminer les variétés de blé. Nous montrons que cette méthode permet d’obtenir une meilleure discrimination par rapport à celle obtenue à partir des mesures destructives classiques. A l’échelle du peuplement végétal, un système semi-automatique permettant de mesurer un grand nombre de micro-parcelles expérimentales est présenté. Les mesures acquises décrivent la dynamique de la fraction de vert, du FIPAR ainsi que d’indices sensible au LAI et à la chlorophylle au cours du cycle du blé. Cette première partie s’achève sur une discussion des améliorations nécessaires pour optimiser la chaîne d’acquisition et d’interprétation des mesures pour le phénotypage haut débit au champ. Le second axe, plus académique, se concentre sur l’amélioration de la connaissance des propriétés directionnelles des feuilles de blé. Un instrument, le conosocope, est utilisé pour mesurer le facteur de réflectance directionnelle sur un grand nombre de feuilles et de directions. On montre que le système vasculaire parallèle des feuilles de blé crée une anisotropie azimutale peu décrite auparavant dans la littérature. Ce phénomène est modélisé en adaptant un modèle physique de micro-facettes caractérisée par une distribution azimutale anisotrope. La rugosité perpendiculaire au système vasculaire apparaît être deux fois supérieure à celle observée parallèlement. Finalement ce modèle est couplé à un modèle de lancer de rayon pour évaluer l’effet de l’anisotrope des propriétés de la feuille sur celles observées au niveau du couvert. Cette avancée dans la compréhension des processus du transfert radiatif au niveau de la feuille ouvre la voie à une interprétation plus fine des mesures radiométriques réalisées à différentes échelles et en particulier pour le phénotypage haut-débit

Insertion de la morphogenèse racinaire dans L-grass, un modèle structure-fonction de graminées fourragères

A model of the shoot morphogenesis of forage grasses, called L-grass, was developed in previous studies. The aim of this thesis is to propose a method for introducing root morphogenesis in the current model so the effect of telluric resources availability can be taken into account for shaping plant form and functioning. A simulator of perennial ryegrass (Lolium perenne L.) whole plant, which includes (i) the rules of shoot architecture self-regulation,(ii) the architectural development of the root system, (iii) the coordination processes between shoot and root parts and (iv) a system of allocation of carbon, was developed. The self-adaptable character of the model allows the reproduction of the responses to the intensity of defoliation and the competition for sunlight without the need of any central control. The coupling of the model with a soil model enables to recreate the development of the plant undergoing different scenarios of water supply with no requirement of previously established morphogenetic guidelines. The architectural representation of the root system presents some shortcomings, mainly regarding the need in computing power when simulating plant populations. In order to overcome these limitations, a continuous model of the dynamics of root densities has been also incorporated to simulate plant rooting. The comparison between both models of root systems has shown the undeniable interest of modeling root density, especially for the studies at the vegetation cover level.Un modèle de morphogenèse aérienne de graminées fourragères, nommé L-grass, a été développé lors de travaux précédents. Le but de la thèse est de proposer une méthode d’insertion de la morphogenèse racinaire dans ce modèle afin de tenir compte de l’impact des ressources telluriques sur la structure et le fonctionnement de la plante. Un simulateur de plante entière de ray-grass anglais (Lolium perenne L.) incorporant (i) des règles d’autorégulation de l’architecture aérienne, (ii) le développement architecturé du système racinaire, (iii) des processus de coordination entre les parties aérienne et racinaire et (iv) un système d’allocation du carbone a été développé. La nature autorégulée du modèle lui permet de reproduire les réponses à l’intensité d’une défoliation et à la compétition pour la lumière sans nécessiter de contrôle central. Le couplage du modèle avec un modèle de sol permet de simuler le développement de la plante subissant différents scénarios d’apport en eau sans nécessiter de consignes morphogénétiques données a priori. La représentation architecturée du système racinaire présente quelques limites, principalement en termes de ressources informatiques, pour les simulations de peuplements. Afin de pallier ces limites, un modèle continu de dynamique de densité racinaire a aussi été incorporé pour simuler l’enracinement. Les comparaisons entre les deux modèles de système racinaire ont montré l’intérêt indéniable des modèles de densités racinaires notamment pour les études à l’échelle d’un couvert végétal

Contribution du modèle structure-fonction MAppleT à la hiérarchistation de traits cibles et à la définition d'idéotypes variétaux de pommier.

absen

Diversité et variabilité de l’architecture des plantes

I will synthesize my work by highlighting the varying and invariant processes of growth. My work concerns temperate and Mediterranean trees and, on the tropical side, wild species of coffee trees. I use the GreenLab structure-function model to highlight the interspecific variability of biomass allocation between stem (pith and secondary growth) and leaves. My research project focuses on the architectural features of adaptation to the environment. The results contribute to a better understanding of the maintenance of trees in their natural environment.Je ferai une synthèse de mes travaux en mettant en évidence les processus variants et invariants de la croissance. Mes travaux concernent les arbres tempérés et méditerranéens et, coté tropical, les espèces sauvages de Caféiers. J’utilise le modèle structure fonction GreenLab pour mettre en évidence la variabilité interspécifique de l’allocation de biomasse entre la tige (moelle et croissance secondaire) et les feuilles. Mon projet de recherche se focalise sur les traits architecturaux d’adaptation au milieu. Les résultats contribuent à une meilleure compréhension du maintien des arbres dans leur milieu nature