Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire?

1. Biomécanique des plantes: des modèlesstructure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, Montpellier Bruno Moulia, INRA, UMR PIAF, Clermont-Ferrand PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

2. PLAN DE L’EXPOSE I - La biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques II - Le dispositif de recherche actuel en France III- Plantes virtuelles et biomécanique IV- Les messages à ramener à la maison PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

3. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Vent L’arbre : une structure soumise à des forces extérieures Structure aérienne + Forces de trainée + Poids propre Vibration (fréquences; amortissement) Contraintes & déformations Transmission des forces à l’ensemble racines-sol Bras de levier Ancrage racinaire PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

4. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon L’arbre : une structure vivante qui réagit!!! Couple croissance primaire, croissance secondaire et différenciation de bois, et croissance racinaire pour permettre le dimensionnement mécanique, le maintien et le déploiement de l’architecture (Moulia et al. 2006) • Dimensionnement (dans la gamme écologique de vent) = thigmomorphogenèse Coutand in Fournier et al. 2005 • Contrôle actif du port (quand dimensionnement pris en défaut): tropismes gravitropisme Coutand in Fournier et al.., 2005 Pivotementracinaire gravité vent Les processus biomécaniques : Un grand rôle dans le contrôle de la distribution de la croissance et dans les relations croissance qualité

5. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Croissance et différenciation : Structure et matériau=f(t, état mécanique ….), mécano- et gravi- perception Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques Le bois matériau actif Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Les racines : fonction d’ancrage Interactions racines-sol, architecture PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

6. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques QUESTIONS : Caractériser et modéliser les lois de comportement du bois Comprendre les relations entre la structure du bois (micro-macro) et ses propriétés mécaniques ENJEUX : Paramétrage des modèles mécaniques pour analyses à différentes échelles Améliorer la qualité du bois formé dans l’arbre PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

7. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Croissance et différenciation : Structure et matériau=f(t, état mécanique ….), mécano- et gravi- perception QUESTIONS : Comprendre les mécanismes de mécanoperception et de contrôle de la croissance et de sa distribution Variables perçues ? déformation Réponse de croissance et intégration dans l’arbre en fonction du « climat mécanique » (vent) ENJEUX : Prise en compte des couplages bio-mécaniques entre croissance II, IIre, racinaire, dans les modèles (gain en robustesse) Acclimatation des arbres au vents dans un contexte de changements climatiques ( tempêtes plus fréquentes à même vent constant annuel) Conséquences sur la forme des fûts et la qualité des bois (flexure wood) PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

8. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique QUESTIONS : Influence de la structure aérienne sur la répartition des forces dans l’arbre; Impact de la structure aérienne sur les comportement aérodynamique de l’arbre (fréquences propres, amortissement de structure) ENJEUX : Relations entre sylviculture, QB et volis Mieux appréhender la diversité des formes en relation avec le contexteécologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution) PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

9. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Les racines : fonction d’ancrage Interactions racines-sol, architecture QUESTIONS : Influence de l’architecture racinaire sur l’ancrage de l’arbre; ENJEUX : Etudes sur les risques de chablis Mieux appréhender les processus d’adaptation de la croissance racinaire aux contraintes mécaniques (plasticité architecturale) PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

10. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Le bois matériau actif Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes QUESTIONS : Comprendre les mécanismes de déformation de maturation à différentes échelles Mécanoperception et différentiation cellulaire Comment les contraintes de maturation se mettent en place Relations forme-contraintes de croissance ENJEUX : Intégration des tropismes secondaires (gravi-, hélio-, auto-, etc.) dansdes modèles de biomécanique aux échelles axe, arbre, peuplement. Conséquences sur la qualité du bois (bois de réaction, anisotropie de la croissance, précontraintes et fentes d’abattage, forme des tiges, etc..) Mieux appréhender la diversité des bois en relation avec le contexteécologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution) PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

11. I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Evolution millénaires Plasticité Tropismes Arcure Contraintes décennies années Varaiabilité Différentiation et maturation cellulaire Elongation Anisotropie Différentiel DM jours mécanoperception Vibrations Amortissement Ruine secondes cellule organe axe plante population

12. CNRS – Paris Tech (X) LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc Dynamique vibratoires Interactions fluides solide Biomimétique Echelles: plante dans son environnement INRA-EFPA LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc Ecologie, Sylviculture, Croissance des Arbres et Qualité du bois, Bois de réaction, Gravitropisme Facteurs de risque, stratégies de croissance Echelles: Arbre Mature, Peuplement, communautes Bioméca INRA II – le dispositif de recherche actuel en France Méca – bioméca CNRS Bio INRA avec connections bioméca Coll en cours avérée: ANR Woodiversity, Chène Roseau, thèse coencadrée, publi INRA BV Univ Versailles Equipe PAROIS- IJB : 3 Chercheurs Formation des parois Ires et IIre, At Peuplier Echelles: Cellule- plante NANCY INRA EA- EFPA, Univ Clermont II PIAF-MECA: 6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc Bio-Mécanique Intégrative de l’acclimatation mécanique: mécano et gravi-perception, thigmomorphogénèse, tropismes, modélisation biomécanique intégrative Echelles: Celulle, tissus, organe, arbre dans son environnement INRA EFPA AGPF: 3 Chercheurs Formation des parois lignifiés, Bois de Tension Peuplier Echelles: Cellule-plante CLERMONT- FERRAND INRA EA EFPA Ephyse 2 chercheurs, 1 postdoc Intéractions physiques vent-forêt Echelles: Arbre Mature, Peuplement BORDEAUX INRA EFPA- CIRAD-CNRS AMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 doc Architecture, acclimatation, évolution, stabilité, modèles SF Echelles: axe, plante, population MONTPELLIER INRA EFPA- Univ Bdx BIOGECO: 3 Chercheurs Formation du bois, ancrage racinaire Echelles: cellule, tige, population CNRS-Univ Montp II LMGC: 5 chercheurs, 1 doc Contraintes, bois de réaction, rhéologie Echelles: micro-structure, cellule, axe

13. III – Plantes virtuelles et biomécanique Numérisation de structures réelles Visualisation et analyse architecturale Codage sous un format MTG AMAP (Godin et al., 1999) Maillage de la structure en éléments de poutres Analyse des résultats et visualisation Addition de la matrice de sol Calcul MEF Fichier de commandes généré pour l’analyse MEF Quelques exemples d’applications (d’après Fourcaud et al. 2003, Proc. PMA03)

14. III – Plantes virtuelles et biomécanique a) e) Couplage croissance-biomécanique Gravimorphisme (première tentative de rétroaction méca-croissance) Fourcaud et al., 1998 Fourcaud et al., 2003 b) tree T9 tree T9 CW Quelques exemples d’applications Dynamique de l’arbre Ancrage racinaire Dupuy et al., 2005, 2007 Sellier et al., 2006, 2008 PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

15. III – Plantes virtuelles et biomécanique Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques Le bois matériau actif Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Les racines : fonction d’ancrage Interactions racines-sol, architecture Couplage biomécanique-croissance OBJECTIF : Nécessité d’intégration à l’échelle de l’arbre pour comprendre les interactions entre biomécanique et développement PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

16. III – Plantes virtuelles et biomécanique Wind, gravity Mechanical state (strains, stresses, sway frequencies, damping, etc.) Air sources Forces 3D architecture Ontogeny C leaves buds INVESTMENT Meristematic activity Biomechanical responses wood C reserves INPUTS fruits Timing/Duration roots Genetic control of phenology during ontogeny Functional duration of organs Uptake kinetics Sinks phenotype Anchorage Root-soilinteractions Couplage biomécanique-croissance RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des assimilats à plusieurs échelles : • via les forces de puits dans un schéma « classique » • via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui déterminent forces de puits et transport PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

17. IV – Les messages à ramener à la maison Importance de la biomécanique dans les processus de croissance (relations forme de croissance-biomécanique; durée de vie, i.e. volis et chablis) Nécessité de développer des modèle Structure-Fonctions pour la biomécanique (modèles à géométrie explicite de mécanique des structures couplés à des modèles biologiques) Nécessité d’intégrer la biomécanique dans des modèles multifonctions (interaction avec d’autres processus) Nécessité de développer des modèles de structure simplifiés pour application à plus grande échelle (relations formes-hétérogénéité bois-précontraintes dans le tronc, QB) Existence d’un réseau français de biomécanique structuré, dynamique et en extension PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon