Architecture des plantes et modélisation

Architecture des plantes et modélisation

Architecture des plantes et modélisation

La plante est un organisme complexe. Par conséquent, le terme d’architecture fait souvent référence à des notions différentes suivant la discipline d’étude. L’architecture est en effet utilisée dans de nombreux domaines de la biologie (biomécanique, physiologie végétale, botanique, écologie … ) ll existe toutefois un consensus sur le fait que la plante peut être décomposée en un ensemble d’éléments ayant des caractéristiques morphologiques particulières et étant organisés en différents niveaux. L’architecture désigne alors l’organisation dans l ‘espace des différents composants de la plante. On trouve dans la littérature de nombreux modes de représentation de l ‘architecture des plantes. Ceux-ci peuvent être classés suivant le type d’information qu’ils contiennent (information géométrique sur la forme des composants et/ou information topologique sur la relation entre les différents éléments de la plante) et selon qu’ils prennent en compte la totalité ou une partie de la plante (Godin, 1999). Une classification des différents types d’architecture a aussi été établie par les botanistes Hailé et Oldeman (Hailé et Oldeman, 1 970; Rallé et al., 1978). Analyse de l ‘architecture en agronomie C’est au Cirad que les premières applications de l’architecture des plantes à l’agronomie ont été développées. Une unité de modélisation des plantes regroupant des chercheurs de l ‘Institut Botanique de Montpellier et des informaticiens y a été créée dans le but de pouvoir dans un avenir proche simuler et optimiser les expériences agronomiques sur ordinateur afin de prévoir le comportement des plantes dans un environnement donné (Bouchon et al, 1 997). Aujourd’hui, cette unité est devenue l ‘Atelier de Modélisation de l ‘Architecture des Plantes (AMAP). Et, en coopération avec L’INRA notamment et d’autres organismes nationaux et internationaux, elle conçoit et développe les méthodes nécessaires pour mesurer, analyser, simuler et représenter l ‘architecture. Chez les plantes pérennes, de nombreux caractères à améliorer dépendent du développement de la plante ce qui nécessite de comprendre les mécanismes de la croissance. La méthode AMAP-mod, a déjà été appliquée à l ‘étude de nombreux arbres fruitiers (ex : pêcher, pommier, abricotier), de plantes tropicales comme le caféier et l ‘eucalyptus mais aussi de plantes ornementales. Pour le pêcher, par exemple, la méthode a été utilisée pour analyser et modéliser la floraison sur différents types de rameaux (Coste et al., 1 999). Elle a permis de caractériser le potentiel de production de chaque type de rameaux et de mettre en évidence une structure constituée de zones successives possédant des caractéristiques particulières quant à la position et aux nombres de fleurs. Ainsi le logiciel AMAP-mod, destiné à l’analyse et à la modélisation de l architecture des plantes propose une méthode applicable à une grande variété de cas (Godin et al., 1 997). Cette méthode est basée sur une description de l’arbre en unités élémentaires et ce à plusieurs niveaux de détails (ex : plante, branche et tronc, unité de croissance, entre-nœud).On parle alors de modèle multi-niveaux (Godin et Caraglio, 1 998). Ce type de modèle est relativement 3 flexible: il permet la description de structures variées et donne une certaine liberté au chercheur quant à la manière de les décrire. Ce logiciel permet d’intégrer à la fois des données topologiques, c’est à dire sur les relations existant entre les différentes unités dans l ‘ arbre et des données géométriques sur la morphologie de ces unités. ll peut ainsi reconstituer de manière fidèle 1 ‘organisation de la structure de l ‘arbre. Une fois la base de données construite et intégrée par le logiciel, il est alors possible d’extraire des échantillons d’entités botaniques pour étudier le développement de la plante et modéliser sa croissance.

Le matériau

La biomécanique étudie les propriétés des matériaux du vivant, notamment leur élasticité et leur résistance. Le bois est un matériau composite formé de plusieurs tissus. Ses propriétés dépendent alors de sa composition et de l ‘organisation des différents éléments à l’intérieur de la structure. Une différence de densité, de composition de certains tissus ou de la quantité de ces tissus peuvent entraîner des réponses mécaniques différentes. L’étude a porté sur la densité du bois, sur son élasticité mesurée par le module de Young (ou module d’élasticité) et sur les contraintes à la rupture. Ces notions mesurent des choses différentes mais qui sont fortement corrélées entre elles. Par exemple, plus un matériau est élastique, plus il sera déformable et résistant. Au contraire un matériau très rigide est cassant. Des séries de mesures ont été d’abord réalisées sur pieds pour évaluer l ‘élasticité, puis en laboratoire à partir d’échantillons prélevés sur ces mêmes arbres pour confirmer les premiers résultats et affiner l ‘étude par des mesures de densité et de résistance à la rupture. Cette étude n’a pas permis de mettre en évidence de différences significatives entre les clones que ce soit au niveau de l ‘élasticité, de la densité du bois ou des contraintes à la rupture. Ces dernières ont été mesurées en compression sur la face interne de la courbure. C’est à ce niveau que s’initie dans la très grande majorité des arbres la détérioration du tronc qui conduit à la rupture. Ces derniers résultats sont particulièrement intéressants car ils montrent qu’il n’existe pas de différence de réaction aux contraintes entre les deux clones. L’architecture aurait donc un rôle prépondérant dans le phénomène de casse au vent et les recherches se sont concentrées sur l ‘étude de l ‘organisation de 1 ‘ architecture des arbres et de leur dynamique de croissance.

L’architecture

Comment l’architecture intervient-elle dans le phénomène de casse au vent? L’architecture pourrait intervenir dans la prise au vent. Celle-ci varie suivant la forme de l’arbre et la densité de la couronne. Un port allongé et peu dense présente moins de prise au vent qu’un port étalé. La densité de la couronne va dépendre essentiellement de l’importance de la ramification de l ‘arbre. Des différences de physionomie ont déjà été mises en évidence par l ‘étude sur la modélisation de l’Hévéa (Costes et de Reffye, 1 990) et il apparaît que PB235 présente un port plus étalé. D’autre part, l’architecture intervient aussi de façon plus complexe au niveau de l ‘amortissement des mouvements et de la répartition des forces à l’intérieur de la structure. Dans ce domaine, des expériences préliminaires (Fourcaud et al, 1 999) ont été réalisées au Cirad avec les logiciels de simulation AMAP-para et AMAP-méca sur la réponse mécanique de l ‘arbre au vent. Elles ont consisté en une simulation de la croissance des deux clones, en tenant compte des modèles architecturaux (pris au sens large) et notamment de la présence des réitérations, à laquelle ont été appliquées des contraintes latérales. Elles ont montré que les contraintes maximales en tension et en compression se répartissent différemment suivant le modèle architectural mais aussi en fonction de l’âge des arbres. Ainsi, on observe qu’à l’âge de dix ans, les contraintes pour le clone PB235 sont globalement plus élevées dans la zone sous le houppier que pour le clone GTI, mais ceci n’est plus valable par contre à l’âge de 18 ans. Enfin, un autre facteur paraît aussi très important. Il s’agit de la dynamique de croissance qui commande la mise en place des matières ligneuses. Cette vitesse de croissance en épaisseur varie en fonction des clones (la saignée intervient entre 5 et 7 ans suivant le temps que mets le clone pour atteindre une circonférence de 50cm) et est affectée lors de la saignée. La saignée, indifféremment des clones, provoque au niveau du tronc un ralentissement de la croissance en largeur. Parmi les hypothèses il était aussi envisager que le caractère génétique de la croissance du clone ajouté à l’influence de la saignée provoque un déséquilibre entre la croissance en hauteur et la croissance en épaisseur rendant les arbres fragiles à un moment donné de leur vie (Clément-Demange et al, 1995b). Les objectifs définis pour cette étude peuvent être reliés à la dynamique de ramification ou à la dynamique de croissance. • Etude de la dynamique de croissance : Comparaison entre la croissance en hauteur du tronc et le développement de la couronne. Comparaison entre le volume du tronc et le volume de la couronne. 5 • Etude de la dynamique de ramification : Etude de la répartition des masses le long du tronc. –+ étude descriptive des ramifications du tronc, de leur i mportance et de leur répartition le long du tronc Etude de la répartition des masses dans la couronne. –+ estimation du volume de bois de la couronne et étude de la répartition du volume à l’intérieur de la couronne Etude du mode de ramification des axes des arbres adultes. L’arbre adulte continue de développer de nouveaux axes à la périphérie de la couronne. Ces axes peuvent former à leur tour de petits complexes ramifiés (axes+ ramifications) que 1 ‘on a appelé ‘systèmes ramifiés périphériques’. –+ étude des systèmes ramifiés périphériques pour la recherche de caractères discriminants entre clone. Etude de l ‘évolution des caractères de ramifications au cours du développement des arbres. –+ comparaison de la ramification des systèmes ramifiés périphériques des arbres adultes (7- 1 1 ans) à celle des axes principaux (troncs) des jeunes arbres (2-3 ans).

Table des matières

1. INTRODUCTION
Généralités
SOMMAIRE
1 – Architecture des plantes et modélisation
2- Hypothèses SIJr l’origine de la casse au vent de l ‘hévéa
II. MATERIEL ET METHODES
II. -1 Le matériel végétal
1-1- L’ hévéa
1 -2- L’hévéa en plantation
1-3- Présentation des deux clones
1 -4- Les arbres décrits
11.-2 Organisation des bases de données
2-1 – Les données topologiques
2-2- Les données géométriques
2-3- Le codage des données
2-4- Constitution des fichiers de données
2-5- La représentation multi-niveaux (MTG)
11.3 Extraction des données
3-1- Les entités
3-1-1- Les entités par arbre
3-1-2- Les échantillons d’entités pour la construction des tableaux
3-2- Les caractères architecturaux
3-3- Les tableaux extraits
Il. -4 Méthodes statistiques
4-1 – Analyse descriptive
4-1-1- Rapport tronc/ couronne
4-1-2- Estimation du volume de bois
4-1-3- Les systèmes ramifiés périphériques
4-2- Les modèles
4-2-1 – Analyse de la variance
4-2-2- Régression logistique
4-3- Les tests
4-3-1 – Comparaison de deux moyennes
4-3-2- Comparaison de deux proportions
4-3-3- Comparaison de deux distributions
4-3-4- Comparaison multiple des moyennes
III. RESULTATS
III.-1 Résultats de l’analyse descriptive
1-1- Rapport tronc/couronne
1 -2- Répartition des masses le long du tronc
1 -3- Volume de bois
1 -4- Les systèmes ramifiés périphériques
III.-2 Les modèles
2-1 – Analyses de la variance à deux facteurs
2-2- Résultats de la modélisation
2-2-1 – Analyse de la variance
2-2-2- Régression logistique
ill.-3 Les tests
3-1- Comparaison des longueurs des UC du tronc
3-2- Systèmes ramifiés périphériques
3-2-1 – Comparaison des proportions des catégories d’axes
3-2-2- Comparaison multiple des moyennes
IV. DISCUSSION
1 – Analyse descriptive
2- Modélisation des caractères architecturaux
V. CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBUOGRAPHIQUES
ANNEXES

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