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Modélisation de la formation du bois

Collaborateurs: Cyrille Rathgeber, Meriem Fournier, Bruno Moulia

rondelle d'un tronc de pin de Douglas, avec cernes concentriques bien visibles

Ci-dessus: rondelle d'un tronc de pin de Douglas.

Dans les arbres, le bois remplit de nombreuses fonctions. Il agit comme une ossature assurant le soutien mécanique, mais exerce aussi des forces de tension et de compression, telle une véritable musculature, pour corriger le port de l'arbre et garantir sa stabilité au cours de sa croissance. Le bois assure en outre la conduction hydraulique de la sève brute montant depuis les racines. Enfin, il stocke les réserves en sucre, minéraux et azote. Ces diverses fonctions sont cruciales pour l'arbre et exigent des ajustements permanents en réponse à des contraintes environnementales changeantes. Le processus de formation du bois doit donc être étroitement régulé et pouvoir répondre de façon rapide et appropriée aux stimuli internes et externes.

Une nouvelle couche de bois est formée chaque année durant la saison de végétation. Cela se traduit par une succession de cernes bien visibles sur une section de tronc ou de branche. La capacité des arbres à produire continuellement du nouveau bois leur vient d'un réservoir de cellules pouvant se diviser indéfiniment. Ces cellules recouvrent toute la surface du bois, constituant un tissu très fin appelé cambium. Le cambium engendre le bois, mais renouvelle aussi le phloème, qui conduit la sève riche en sucre descendant des feuilles.

écorché d'un tronc d'arbre représentant le bois, le cambium, le phloème et l'écorce

Ci-dessus: écorché d'un tronc d'arbre (par Meriem Fournier, sous licence CC-BY-SA).

Les cellules sortant du cambium par sa face interne se différencient progressivement en cellules de bois (des trachéides, chez les conifères). Ce processus inclut l'élargissement de la cellule, la création d'une paroi épaisse et pérenne, et enfin la mort programmée de la cellule, après laquelle seule subsiste la paroi. Le nombre et les dimensions des trachéides ainsi produites dépendent des conditions climatiques et des ressources disponibles. Des mécanismes internes de régulation s'exercent également sur la formation du bois, bien qu'ils restent mal connus. Avec les laboratoires LERFoB et PIAF, j'étudie le rôle des hormones végétales et d'autres signaux biochimiques dans ces mécanismes de régulation.

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Modélisation 3D de la phyllotaxie

Collaborateurs: Pierre Barbier de Reuille, Cris Kuhlemeier

Tout au long de leur vie, les plantes produisent de nouvelles tiges, feuilles (ou épines) et racines. Ce développement continu est précisément orienté de manière à recueillir au mieux la lumière et l'eau disponibles. Notamment, la façon dont les feuilles sont arrangées géométriquement autour des tiges est d'une grande régularité au sein de chaque espèce et permet une très bonne exposition à la lumière solaire. Ce phénomène a éveillé très tôt la curiosité des naturalistes, qui l'ont nommé phyllotaxie.

Les nouvelles feuilles sont engendrées à l'extrêmité des tiges par un tissu composé de cellules souches, le méristème apical caulinaire. Le tout premier stade de formation d'une feuille correspond à l'apparition d'un renflement à la surface du méristème. De nouvelles cellules sont produites dans le renflement, qui grossit et prend progressivement la forme d'une feuille complète. Depuis le début des années 2000, une série de travaux a mis en avant le rôle prépondérant joué par une hormone végétale, l'auxine, dès le tout début du processus. L'apparition d'un renflement est en effet précédée d'une accumulation localisée d'auxine. Lorsque la jeune feuille se développe, l'auxine est canalisée vers l'intérieur du tissu. Une nouvelle veine se forme pour relier la nouvelle feuille au système vasculaire de la plante, en suivant le chemin emprunté par l'auxine.

Ces observations étayent l'idée selon laquelle l'auxine détermine l'emplacement des feuilles (c'est-à-dire la phyllotaxie) et guide leur raccordement à la vasculature principale de la plante. Plusieurs modèles ont été proposés pour expliquer comment l'auxine converge vers certains points, ou comment elle est canalisée depuis la nouvelle feuille jusqu'à un vaisseau déjà existant. Avec des chercheurs de l'IPS à Berne, je travaille sur un modèle numérique tridimensionnel intégrant pour la première fois ces deux aspects (convergence et canalisation).