• Efficience d’utilisation de l’eau et régulation des stomates

Des études récentes montrent que certains écosystèmes forestiers répondent déjà au réchauffement climatique et à la sécheresse par des taux de mortalités accrus, même dans des environnements qui ne sont pas en moyenne fortement contraints par les limitations hydriques. À long terme, la croissance et la survie des arbres dépendront principalement de leur capacité d'adaptation aux changements climatiques. Outre l'amélioration génétique, la gestion forestière et la facilitation de – ou l’assistance à - la migration des espèces, l'utilisation de la diversité génétique naturelle représente un levier important d’adaptation des forêts au changement climatique. Les pratiques de gestion forestière durable pourront être améliorées par la connaissance des processus sous-jacents à l'adaptation au changement climatique et finalement des gènes relatifs à des traits qui augmentent le « fitness » des arbres. L'évaluation de la variabilité de ces gènes dans les populations naturelles pourra être utilisée comme indicateur de leur adaptabilité au changement climatique.

Un objectif majeur aussi bien de la gestion des forêts naturelles que des plantations dans le contexte du changement climatique est d'optimiser la production de biomasse par rapport aux pertes d'eau par la transpiration. Le rapport entre ces deux traits est désigné par efficience d'utilisation de l'eau (WUE). Ce trait est aussi défini au niveau foliaire comme le rapport entre l'assimilation nette de CO₂ et la transpiration (WUE instantanée) ou la conductance stomatique pour la vapeur d'eau (WUE intrinsèque). Cette dernière définition permet un lien avec la discrimination isotopique du carbone lors de l'assimilation du CO₂ (modèle de Farquhar), ce qui fournit, par la mesure de la composition isotopique de la matière organique, un outil pour des études de diversité de WUE.

La présence d'une importante plateforme d'analyse isotopique dans l'unité (PTFE, mettre lien), permet à l'équipe  de développer des questions de recherche autour du modèle de Farquhar liant la composition isotopique du carbone (δ¹³C) dans la matière organique à l'efficience d'utilisation de l'eau intrinsèque (Wi). Deux points spécifiques dans ce modèle sont abordés dans l'équipe, a) l'impact de la conductance mésophylienne pour le CO₂ sur la relation entre δ¹³C et Wi, et b) l'interprétation du signal isotopique dans les différents composantes biochimiques des feuilles et du bois, notamment l'étude de la quantité des polysaccharides structuraux du bois et la composition isotopique en carbone stable des polymères ou des monomères glucidiques et acides dérivés qui les constituent.  

Cette thématique de l'équipe PhysioDiv porte sur les traits sous-jacents qui sont impliqués dans le déterminisme de la diversité inter et intra-specifique de WUE observée (entre clones, génotypes, populations, provenances). L'objectif est de déterminer si WUE et ses composantes jouent un rôle adaptatif chez les arbres forestiers ou de plantation, principalement en réponse à une sécheresse édaphique, en termes (i) d’adaptation des provenances/clones à leur environnement spécifique, (ii) d’incidence sur le fitness et (iii) d’existence d’une diversité génétique et d'une plasticité suffisante pour assurer l'acclimatation et l'adaptation au changement climatique. Nous focalisons notamment nos recherches sur le fonctionnement stomatique  par des approches de microscopie pour l'anatomie, de biologie moléculaire pour l'étude de l'expression de gènes au niveau des cellules de garde, d'échanges gazeux foliaires et de modélisation.

• Contrôles biophysiques et moléculaires de la croissance racinaire

Dans le sol, la distribution des ressources est hétérogène dans le temps et dans l’espace. La croissance racinaire permet l’exploration du sol et l’accès aux ressources. Les mécanismes cellulaires et moléculaires à la base de la plasticité de la croissance racinaire sont très mal connus. Nous avons développé l’imagerie in vivo à haute résolution spatiale et sous lumière infrarouge pour quantifier la croissance d’apex de racine de peuplier cultivée en hydroponie, ou in vitro.. Nous étudions la réponse à l’environnement (stress osmotique, impédance mécanique du sol) des composantes de la croissance, division et élongation cellulaires, par analyse cinématique (étude des déplacements et des déformations sans références aux causes qui les produisent). Parallèlement, nous analysons le remodelage du transcriptome dans la zone de division et dans la zone d’élongation. L’objectif est de déterminer les interactions entre les voies de signalisation « croissance » (prenant en compte les deux processus) et voies de signalisation « déficit hydrique » (RNA-Seq). Notre objectif ultime est de déterminer comment division et élongation cellulaires sont régulées pour comprendre l’importance respective des deux processus dans les modulations de la croissance racinaire par l’environnement.

• Biologie intégrative de la réponse à la sécheresse chez le peuplier

Notre équipe a développé une certaine expertise en ce qui concerne les approches intégrées combinant écophysiologie et génomique fonctionnelle, visant à analyser les bases moléculaires sous-jacentes aux réponses physiologiques induites par le déficit hydrique chez le peuplier. Elle a été/est impliquée dans différents projets de ce type (Establish, 2001-2003 ; Popsec, 2007-2010 ; Tree4Future, 2011-2015 ; Watbio 2012-2017). Nous nous focalisons sur différentes réponses impliquées dans l’acclimatation au déficit hydrique : la fermeture stomatique, l’efficience d’utilisation de l’eau, la croissance. Notre objectif est d’inventorier les gènes régulés en réponse à différents états de déficit hydrique à partir de l’analyse des réponses des transcriptome, protéome et métabolome afin d’identifier des réseaux de gènes d’intérêt pour l’acclimatation au déficit hydrique, en portant attention à la spécificité tissulaire.

• Détoxication cellulaire et régénération du pouvoir réducteur sous stress oxydant

Ces recherches sont menées dans le contexte de la pollution atmosphérique par l’ozone (O₃), reconnu comme étant un polluant secondaire majeur. Aujourd’hui, par le suivi d’une politique de réduction des émissions de précurseurs de ce gaz, notamment des oxydes d’azote, nous assistons à un ralentissement de l’augmentation de la concentration d’O₃ pour certaines régions de l’hémisphère Nord. Alors que pour plusieurs pays d’Asie, d’Afrique ou du continent sud-américain, en plein développement économique, la pollution atmosphérique ne cesse de croitre. En Europe, les niveaux d’O₃ dans la troposphère sont actuellement suffisamment élevés pour réduire la productivité des plantes de grandes cultures et des espèces forestières. De plus, de fortes incertitudes demeurent sur l’interaction entre l’O₃ et d’autres contraintes biotiques ou abiotiques et sur l’impact des ces combinaisons de contraintes sur les végétaux et les arbres en particulier. Dans un contexte de changement climatique, nous prenons également en compte les épisodes de sécheresse combinées ou non à la pollution atmosphérique. Chacun de ces stress, O₃ ou sécheresse,  induit un stress oxydant et une production rapide d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), connus pour leurs effets délétères sur la croissance et la productivité.

Pour lutter contre le stress oxydant, les végétaux possèdent tout un arsenal métabolique de défense centré sur les capacités anti-oxydantes de l’ascorbate et du glutathion. Cet arsenal est en outre soutenu par un métabolisme cellulaire susceptible de régénérer le pouvoir réducteur essentiel à son bon fonctionnement. Nous étudions les variations de l’ascorbate et du glutathion à différentes échelles : de l’expression du gène jusqu’au métabolite. Les pools d’ascorbate et de glutathion, l’évolution de leur statut d’oxydation/réduction ainsi que la régulation d’enzymes impliquées dans leur synthèse et/ou leur régénération sont suivis, aussi bien lors d’expérimentations en conditions contrôlées (chambres phytotroniques) que dans les conditions naturelles (champ ou écosystème forestier).

La capacité antioxydante cellulaire étant fortement liée à la régénération du pouvoir réducteur (NAD(P)H), nos recherches se focalisent également sur les modifications métaboliques contribuant au maintien du pool de pouvoir réducteur. Nous nous intéressons à la contribution relative du chloroplaste et de la mitochondrie, deux organites essentiels dans la génération/utilisation du pouvoir réducteur. Fait intéressant, ce sont aussi deux sites majeurs de production de ROS. L’échange de pouvoir réducteur entre les organites et le cytosol (e.g. navette Mal/OAA) est envisagé.

En complément, nos recherches visent à approfondir les connaissances sur les modifications apportées au sein du métabolisme primaire sous contrainte ozone et/ou sécheresse. Cela comprend la fixation du carbone (Rubisco et Phosphoenolpyruvate carboxylase) et les modifications métaboliques susceptibles d’influer sur le patron d’allocation cellulaire du carbone et donc la disponibilité en squelettes carbonés nécessaires dans la lutte contre les dommages et la détoxication. Une attention particulière est notamment portée sur certaines étapes du catabolisme glucidique sous contraintes oxydantes, mais nos recherches peuvent s’étendre jusqu’à l’intégration du carbone dans certains métabolites secondaires tels que les phénols, mais également les lignines en lien avec le groupe travaillant sur la biosynthèse des composés pariétaux). Ces composés sont considérés dans les feuilles comme des métabolites de défense avec des teneurs fortement modifiées sous ozone/sécheresse. Plus récemment notre groupe a abordé des travaux visant à étudier les voies de signalisation cellulaire en relation avec le métabolisme lipidique et à montrer leur implication dans la réponse cellulaire sous contrainte ozone et/ou sécheresse.

• Biosynthèse et biochimie des composés pariétaux et biochimie de la composante polysaccharides

L’ozone et fort CO₂, ont des effets antagonistes sur la production de la biomasse des plantes. Les travaux menés dans ce thème ont montré que l’ozone induit une baisse de l’apport en substrats carbonés vers le bois en provenance des feuilles chez le peuplier. Au niveau foliaire, les squelettes carbonés sont mobilisés dans des mécanismes de défense. Les conséquences au niveau du bois se traduisent par une réduction de la biosynthèse effective de la cellulose et des lignines (marquage ¹³C) et une diminution de l’épaisseur des parois. Cependant, la cellulose est plus affectée conduisant à une modification du ratio cellulose/lignine en faveur de la lignine. De plus l’étude du transcriptome suggère des remaniements importants de la paroi cellulaire. En effet, les gènes impliqués dans la formation de la paroi secondaire (cellulose, lignine, facteurs de transcription) sont fortement réprimés, en accord avec les observations précédentes ; en revanche, de manière surprenante, les gènes impliqués dans la synthèse de paroi primaire sont stimulés

Le fort CO₂ induit une augmentation de la synthèse de cellulose et de lignine avec une modification de la balance cellulose/lignine. Le fort CO₂ combiné à l’ozone réduit globalement les effets de l’ozone.

De manière générale, l’ozone et/ou le fort CO₂ vont modifier quantitativement la production de paroi mais également profondément remanier son organisation. La qualité du bois sera donc fortement impactée.