Projet H2020 AgroPHYS : Comprendre comment les plantes surmontent la sécheresse en contrôlant la fonction stomatique : applicabilité et impacts en agriculture
- Taper Projet
- État Rempli
- Exécution 2017 -2020
- Budget alloué 263.440,8 €
- Portée Europeo
- Principale source de financement H2020
- Site Web du projet AgroPHYS
La sécheresse peut entraîner des pertes économiques importantes en raison d’une baisse de productivité. Par conséquent, les nouvelles connaissances sur la façon dont les plantes font face à la sécheresse résultant des résultats d’AgroPHYS auront un impact majeur sur la réduction de ces pertes économiques en optimisant l’utilisation de l’eau dans l’agriculture et même en améliorant la qualité du produit final. Par exemple, en agriculture, il existe une stratégie d'irrigation appelée Irrigation Déficitaire Régulée, qui consiste à appliquer exactement l'eau dont notre culture a besoin à chacun de ses stades phénologiques, car on sait que selon le stade dans lequel se trouve la culture, elle sera moins ou plus résistante à la sécheresse.
Ces stratégies peuvent être grandement optimisées en améliorant les connaissances physiologiques derrière ces différentes résistances à différents stades phénologiques. De plus, ces connaissances nous permettront de placer les sorties des capteurs des plantes dans un contexte physiologique, nous permettant de surveiller ces variables physiologiques au fil du temps et de les utiliser comme entrées pour améliorer les prévisions du changement climatique chez les plantes grâce à des modèles mécanistes et de fournir de nouvelles hypothèses à tester. Cependant, cela ne sera possible que s’il existe une bonne communication entre les physiologistes et les agronomes pour améliorer les stratégies d’irrigation, entre eux et les ingénieurs et les entreprises pour minimiser les coûts des technologies agricoles, et entre eux et les mathématiciens et les modélisateurs pour traduire les mécanismes physiologiques en équations.
Les premiers résultats obtenus au cours de la phase de sortie ont été les suivants : 1) la technique optique a été utilisée pour la première fois pour surveiller simultanément la formation d'emboles de xylème dans les racines, les tiges et les feuilles de plants d'olivier entiers et intacts ; (2) les racines ont été identifiées comme les organes les plus résistants à la formation de ces embolies, contrairement aux études précédentes qui indiquaient les racines comme des tissus plus vulnérables que les tissus centraux (tiges) ; et (3) une variation relativement élevée de la résistance a été constatée entre les individus, entre les tissus et au sein des tissus.
Étant donné que l’impact de l’hydraulique végétale sur la fonction stomatique n’a pas été évalué dans cette étude, une expérience spécifique a également été menée sur des oliviers pour déterminer si la voie hydraulique du sol à la feuille est dynamique ou statique pendant la fermeture stomatique. Les résultats comprenaient : (1) le développement d'une nouvelle méthode hydraulique pour répartir les voies hydrauliques du sol vers les feuilles, et (2) une diminution observée de la capacité de transport de l'eau des racines dans des conditions de sécheresse modérée qui fonctionnait comme un signal hydraulique pour limiter l'ouverture stomatique, aidant la plante à conserver l'eau et à l'isoler du sol en train de sécher.
Directement liés à AgroPHYS, nous élargissons nos connaissances sur la manière dont les caractères hydrauliques peuvent être décisifs pour protéger les plantes contre les effets négatifs de la sécheresse en travaillant avec différents génotypes d'oliviers. De plus, la perspective d'application d'AgroPHYS a également été abordée à travers le développement d'outils robustes et physiologiques pour la gestion de l'irrigation, démontrant que la combinaison des trois principaux domaines de recherche d'AgroPHYS est non seulement possible mais essentielle pour faire progresser l'optimisation de l'utilisation de l'eau en agriculture. En plus de ces résultats directs d'AgroPHYS, et grâce à la participation à des campagnes basées sur le synchrotron, nous avons démontré que la technique optique était aussi efficace que les techniques hydrauliques et de microtomographie pour mesurer les seuils de résistance hydraulique du stress hydrique.
Tout au long de la phase entrante, les expériences se sont principalement concentrées sur l'application des nouvelles connaissances physiologiques des plantes acquises au cours de la phase sortante dans le jardin expérimental IRNAS-CSIC « La Hampa ». Six espèces d’arbres fruitiers ont été caractérisées de manière approfondie sur le plan physiologique et surveillées à l’aide de capteurs météorologiques, pédologiques et végétaux.
En résumé des résultats généraux d’AgroPHYS, nous pouvons dire que (1) connaître la résistance au stress hydrique des espèces agricoles est essentiel dans un contexte de changement global ; (2) Cependant, ces niveaux de stress hydrique ne devraient pas être atteints dans les vergers d’arbres fruitiers et, en fait, les plantes l’évitent en fermant leurs stomates ; (3) Les limitations de productivité résultant de cette fermeture stomatologique semblent être liées à la capacité d’absorption des eaux souterraines ; et (4) nous démontrons que la conductance stomatique devrait être notre cible pour surveiller le stress hydrique dans les vergers fruitiers.
L'exploitation et la diffusion de ces résultats ont été abordées à travers leur présentation lors de plusieurs réunions internationales sur le xylème, dans des séminaires à l'Université de Tasmanie et dans des centres de recherche en Espagne, en initiant une collaboration avec des pédologues de l'Université de Bayreuth (Allemagne) et en publiant plusieurs articles dans des revues de haut niveau, apportant un soutien supplémentaire à nos conclusions.
Nous vivons actuellement une crise mondiale où l’augmentation de la population mondiale et, par conséquent, de la demande alimentaire, place l’agriculture dans un contexte d’urgence car elle devra produire cette nourriture sans gaspiller l’eau nécessaire à cette production. En outre, la crise climatique et la pénurie croissante d’eau, l’utilisation de l’eau à des fins agricoles représentant jusqu’à 80 % de l’eau douce disponible, rendent essentiel l’amélioration des pratiques agricoles et le développement de stratégies d’irrigation plus efficaces.
Les épisodes de sécheresse, de plus en plus fréquents et graves, provoquent un stress hydrique des plantes, une réponse fonctionnelle et structurelle des plantes à une faible disponibilité en eau, ce qui réduit la productivité des cultures. Par conséquent, il est essentiel de comprendre l’impact, les mécanismes et les caractéristiques sous-jacentes de la tolérance à la sécheresse chez les espèces végétales agricoles pour accroître l’efficacité des stratégies d’irrigation et améliorer la productivité. Les impacts sur la société sont directs et représentent les principales priorités de l’Europe : optimiser l’agriculture dans un climat changeant, avec une disponibilité en eau réduite et une population croissante.
Le projet AgroPHYS vise à combiner trois domaines de recherche importants (schéma ci-joint) pour répondre à ce besoin urgent : une compréhension fondamentale des mécanismes physiologiques des réponses des plantes à la sécheresse, l'utilisation de capteurs végétaux pour surveiller ces réponses en temps réel et la mise en œuvre de modèles physiologiques pour prédire les impacts du changement global sur les plantes et fournir de nouvelles hypothèses à tester.
Les conclusions de l'action peuvent être résumées comme suit : (1) l'utilisation de la technique optique pour visualiser in vivo la formation de poches d'air au sein du système vasculaire au fur et à mesure que les plants d'olivier se déshydratent, a permis de démontrer que les racines étaient les organes les plus résistants au dysfonctionnement hydraulique ; (2) Les résultats obtenus à partir de cette technique optique facile à utiliser et peu coûteuse sont en accord avec les techniques hydrauliques les plus courantes et avec les techniques synchrotron à haute résolution ; (3) Les limitations d’ouverture stomatique semblent être liées à une diminution de la conductance hydraulique sol-racine sous des niveaux modérés de stress hydrique chez les oliviers ; (4) La production d’acide abscissique dans les feuilles est essentielle pour protéger les vaisseaux de la formation de sas, car elle joue un rôle clé dans le déclenchement de la fermeture des stomates ; et (5) avec une combinaison de modèles mécanistes et de capteurs de pression de turgescence des feuilles, une surveillance automatique et continue de la conductance stomatique chez les espèces d'arbres fruitiers est possible, ce qui améliorera l'eau utilisée par ces vergers.
Les plantes terrestres ont résisté à la sécheresse depuis qu’elles ont colonisé les terres arides. La sécheresse est la cause la plus courante de stress hydrique, une réponse fonctionnelle et structurelle des plantes à une faible disponibilité en eau. Comprendre l’impact, les mécanismes et les caractéristiques sous-jacentes de la tolérance à la sécheresse chez les espèces végétales agricoles est essentiel pour améliorer la productivité et représente également une priorité européenne importante (SFS-01-2016) : optimiser l’agriculture dans un climat changeant avec une disponibilité en eau réduite et une population croissante.
Pour répondre à ce besoin urgent, il est nécessaire de comprendre d’abord comment les stomates régulent les échanges gazeux dans les feuilles, car les stomates constituent la principale limitation de la photosynthèse dans les cultures soumises à un stress hydrique. Les signaux hydrauliques et non hydrauliques ou hormonaux sont les principaux moteurs de la régulation stomatique. AgroPHYS propose donc d’étudier comment ces signaux interagissent pour protéger les plantes de la dessiccation nocive. Ce projet générera des connaissances physiologiques à l'UTAS à partir d'une série de techniques expérimentales et les appliquera à un modèle basé sur la physiologie et à un capteur automatique basé sur les plantes pour guider à la fois la gestion de l'irrigation et la recherche à l'IRNAS-CSIC.
Les objectifs d'AgroPHYS sont (i) d'évaluer l'importance relative et la coordination des signaux hydrauliques et hormonaux dans les réponses stomatiques des plantes à la sécheresse et à la récupération, et (ii) d'appliquer ces connaissances, en utilisant un modèle mécaniste et un capteur végétal, pour prédire la productivité par rapport à la consommation d'eau chez les espèces végétales agricoles ayant différentes stratégies d'utilisation de l'eau.
Le groupe de recherche sortant est à la pointe de la recherche physiologique et l'environnement d'apprentissage offrira un avantage maximal au candidat et d'excellentes opportunités d'interagir avec des chercheurs du monde entier. Ces compétences et connaissances seront transférées à l’IRNAS-CSIC, fournissant des données essentielles non seulement pour la recherche scientifique sur la fonction des plantes, mais également pour l’agriculture de précision et la gestion optimale de l’irrigation.
Le taux de croissance de la population mondiale dépasse de loin toute augmentation de la production agricole. L’agriculture ne parvient pas à suivre le rythme, et l’une des principales raisons est la disponibilité de l’eau. Pour répondre à la population projetée en 2050, l’agriculture aura besoin de 70 % d’eau en plus qu’aujourd’hui. Cependant, cette eau ne sera généralement pas disponible. De nombreuses régions du monde, dont l’Europe, sont confrontées à une diminution de la disponibilité de l’eau en raison du changement climatique. Dans les pays arides et semi-arides, l’agriculture consomme déjà environ 80 % de l’eau douce disponible et consommera encore plus à mesure que le changement climatique s’installera. L’agriculture doit donc être plus efficace. Les Européens devront commencer à irriguer leurs cultures, et à le faire avec précision.
Cependant, les pratiques actuelles de gestion de l’irrigation sont limitées lorsqu’il s’agit de déterminer les quantités optimales d’eau pour les cultures dans des conditions de sécheresse. De nouvelles méthodes d’irrigation seront nécessaires. Pour y parvenir, il faudra une compréhension complète de la réponse physiologique des plantes cultivées à la sécheresse.
Stress hydrique et réponse à la sécheresse. Le projet AgroPHYS, financé par l’UE, a étudié cette réponse et utilisé des capteurs mécaniques pour la surveiller en temps réel. La recherche a été réalisée avec le soutien du programme Marie Sklodowska-Curie. La clé de l’étude de la réponse physiologique des plantes à la sécheresse est le concept de stress hydrique. En gros, cela signifie que la plante a soif mais ne peut pas obtenir suffisamment d’eau.
La plante ne poussera alors pas de manière optimale. « Il est essentiel de disposer du meilleur indicateur du stress hydrique des plantes pour une planification précise de l'irrigation », explique la coordinatrice du projet, Celia Rodríguez Domínguez. « Cela indiquerait quelle quantité d’eau doit être appliquée pour l’irrigation et quand. » Améliorer la gestion du stress hydrique Cependant, comprendre le stress hydrique est compliqué. Les dispositifs de surveillance standard sont ambigus et difficiles à relier à des réponses physiologiques spécifiques.
La plupart des indicateurs actuels sont insatisfaisants. Pour trouver une meilleure solution, les chercheurs d’AgroPHYS ont utilisé une série d’instruments de surveillance des plantes préexistants pour déterminer les processus physiologiques. Les plus importantes et les plus innovantes étaient les caméras et microscopes spéciaux utilisés pour surveiller la formation de bulles d’air dans le système vasculaire des plants d’oliviers lorsque les plantes se déshydratent. De plus, l’équipe a développé une nouvelle combinaison de techniques de réhydratation, utilisée pour mesurer le mouvement de l’eau de la racine dans le sol vers la feuille.
Les nouvelles connaissances physiologiques dérivées de ces observations ont été les résultats les plus significatifs du projet. D’autres résultats importants incluent la démonstration que la connaissance de la résistance des espèces agricoles au stress hydrique est importante dans le contexte du changement climatique. Cependant, il est peu probable que des niveaux élevés de stress se produisent chez les arbres fruitiers, qui les évitent en fermant leurs stomates. Les chercheurs ont conclu que le degré auquel la fermeture stomatique limite la productivité dépend de la capacité d’absorption d’eau souterraine d’une plante. « Nous avons démontré que la conductance stomatique devrait être la variable cible pour surveiller le stress hydrique chez les arbres fruitiers », ajoute Rodríguez Domínguez.
En pratique, si les scientifiques pouvaient détecter plus tôt le stress hydrique chez les plantes, les cultures nécessiteraient moins d’eau, ce qui rendrait l’irrigation plus efficace. De plus, la possibilité de relier le stress hydrique à la physiologie de la productivité permet aux chercheurs d’adapter les stratégies d’irrigation en fonction des stades de croissance. Grâce à des capteurs, les petits agriculteurs pourront augmenter le rendement et la qualité des cultures tout en économisant de l’eau et en améliorant l’efficacité de l’eau.
- AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC)
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