Analyse et modélisation de la croissance de la plante et du fruit de tomate : application à des niveaux de salinité et de disponibilité hydrique variables
Résumé
Tomato production is very important in horticulture. The high competition on the world market emphasizes to improve fruit quality, whose criteria are complex. The modification of water and carbon status of the plant are an important key in developing the fruit quality.The effects of water and carbon factors on fruit quality are due to the plasticity observed in the functioning of the fruit, but also of the plant. By coupling experimental and modeling approaches, the effect of water and salt stress were studied (i) on the plant functioning. The interaction between the plant and fruit is described through the endogenous availability of water and carbon. In the first experiment (2006), tomato plants (Solanum lycopersicum L. Cv Marmara) were grown in greenhouses at four salinity levels (4, 7, 10 and 13 mS cm-1) during 6 monts of culture. In the 2nd experiment (2007), a water stress, for 15 days, was applied. These experiments have showed a significant effect on the fruit growth and quality (size, dry mass content), and on plant growth (biomass, leaf area). The architecture has been analyzed through the process of initiation and growth of the various organs : inflorescence, leaflet, rachis internodes. Regarding the organs initiation, the phyllocron was not affected, but the number of leaflets per leaf was reduced. Regarding the elongation process, the increased length of leaflet and internodes was associated with increased salinity. The formalization of the process of initiation and growth and the estimated parameters, allowed the construction of a 3D dynamic model of plant. This model allows and integrated description of the elementary scale of leaflets to the scale of culture, and the effect of salinity on plant architecture. The salt and water stress had a significant effect of the plant water status. The technique of facilitated exudation with EDTA was used to estimate the variable involved in carbon allocation within the plant. The sugar concentration in the phloem varied over the time and was affected by water stress. In addition, the phloem turgor pressure was significantly lowered by water stress, and appeared to vary according to, the position and /or nature of the organ (leaves, fruit). The local availability of resources (water and caron) has identified the condition at the insertion point of the fruit on the plant. A biophysical model of fruit growth (Fishman and Génard 1998) was adapted. Using a single set of parameters for all the dataset the dynamics of accumulation of fresh and dry mass in the fruit were correctly simulated. I n addition, the model was also used to estimate the driving variables (osmotic potential and turgor pressure) in the fruit and therefore the water and carbon flows between the plant and fruit, in response to environmental conditions.
La production de tomate est économiquement très importante en horticulture (1er légume consommé en Europe). Du fait d'une forte concurrence sur le marché mondial, un objectif majeur est d'améliorer la qualité des fruits à leur mise sur le marché. Les critères de qualité des fruits sont nombreux et complexes, mais les effets du statut hydrique et carboné de la plante sont majeurs dans l'élaboration de la qualité. Toutefois l'effet sur la qualité des fruits résulte à la fois de la plasticité observée dans le fonctionnement du fruit, mais également de la plante. Une démarche couplant une approche expérimentale et de modélisation a été développée avec l'objectif d'étudier l'effet de contraintes hydriques et salines (i) sur le fonctionnement de la plante entière et la mise en place de sa structure et (ii) sur le fonctionnement du fruit. L'interaction entre le compartiment plante et fruit est décrite au travers de l'explicitation des disponibilités endogènes en eau et en carbone. Dans une expérimentation (2006), les plants de tomate (Solanum lycopersicum L. Cv Marmara) on été cultivés sous serres à quatre niveaux de salinité (4, 7, 10 et 13 mScm-1) durant 6 mois de culture. Dans une 2nde expérimentation (2007), une contrainte hydrique passagère (15 jours) a été appliquée. Ces expérimentations ont permis de mettre en évidence un effet très marqué des contraintes sur la croissance et la qualité du fruit (calibre, teneur en matières sèche) ainsi que sur la croissance de la plante (biomasse, surface foliaire). La mise en place de l'architecture a été analysée au travers des processus d'initiation et de croissance des différents organes composant la plante : inflorescence, foliole, rachis, entrenoeud. Concernant l'initation des organes, le phyllochrone n'a pas été affecté contrairement au nombre de foliole par feuille qui a été réduit. Concernant les processus d'élongation, une diminution de la longueur du foliole ainsi que des entrenoeuds a été associée à une augmentation de la salinité. La formalisation des processus d'initiation et de croissance ainsi que l'estimation des paramètres associés ont permis la construction d'un modèle dynamique 3D de plante. Ce modèle permet une description intégrée, de l'échelle élémentaire du foliole jusqu'à léchelle de la culture, de l'effet de la salinité sur la mise en place de l'architecture de la plante. Les contraintes hydriques et salines ont eu un effet marqué et classique sur le statut hydrique de la plante. L'utilisation de la technique d'exsudation facilitée à l'aide d'EDTA a permis d'estimer les variables phloémiennes impliquées dans l'allocation du carbone au sein de la plante. La concentration en sucre dans le phloème varie au cours du temps et a été affectée par le stress hydrique. En outre, les pressions de turgescence ont été fortement abaissées par le stress hydrique et apparaissent variables selon la position et/ou la nature de l'organe étudié (feuille, fruit). Ces disponibilités locales pour les ressources (eau et carbone) ont permis de définir les conditions au point d'insertion du fruit sur la plante. Un modèle biophysique de croissance du fruit (Fishman et Génard 1998) a été adapté. Avec un seul jeu de paramètres pour l'ensemble des contraintes, les dynamiques d'accumulation de la masse fraîche et sèche dans le fruit ont été correctement simulées. En outre, le modèle a également permis d'estimer les variables d'état du fruit et donc les flux d'eau et de carbone entre la plante et le fruit (pression osmotique et de turgescence, flux xylémien et phloémien) en réponse aux conditions environnementales.