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Microscopie confocale. Cotylédons d’Arabidopsis thaliana ou Arabette des dames (Brassicacées), mutant du cytosquelette : comparaison de l’organisation des plans de division. Coloration des parois des cellules à l’iodure de propidium.. © © INRA, BELCRAM Katia

Microscopie : jusqu’où voit-on ?

L’embolie des arbres en direct

La microtomographie à rayon X devient la méthode de référence pour la mesure de l’embolie gazeuse qui affecte les arbres en cas de grande sécheresse. Cette technique d’observation permet de pénétrer au cœur de l’anatomie de l’arbre et de comprendre ses mécanismes de défense contre la sécheresse.

Par Pascale Mollier
Mis à jour le 03/11/2015
Publié le 22/05/2015

Que nous dit cette image ?

Structure en 3D du tronc d’un pin de Douglas (Pseudotsuga menziesii) observée par microtomographie à rayons X.. © Inra, Eric Badel
Structure en 3D du tronc d’un pin de Douglas (Pseudotsuga menziesii) observée par microtomographie à rayons X. © Inra, Eric Badel

Sur cette coupe transversale du tronc d’un Douglas, on peut voir in situ la distribution des canaux embolisés au sein de trois cernes de croissance annuelle du bois.

Le bois est formé d’une multitude de cellules alignées dans l’axe du tronc, formant des canaux (1) hydrauliques qui permettent de conduire l’eau des racines jusqu’aux feuilles de l’arbre (voir encadré 1). Les canaux embolisés apparaissent en noir : ce sont des canaux dans lesquels de l’air a pénétré, ils se sont vidés et ne peuvent plus conduire l’eau.

Dans le cerne central (flèche bleue), qui est complet, on distingue de gauche à droite :

  • Le bois de printemps, formé de canaux à gros diamètre et aux parois cellulaires fines, formant un réseau hydraulique efficace
  • Une zone de transition
  • Le bois d’été, formé de canaux à petit diamètre et aux parois très épaisses, moins bon conducteur hydraulique mais nécessaires pour assurer la rigidité mécanique de l’arbre.

La microtomographie révèle qu’ici, les zones embolisées sont le bois de printemps et le bois d’été, alors que la zone de transition est restée parfaitement saturée en eau et conductrice. Pourquoi ces cellules sont-elles plus résistantes à l’embolie ? Quels sont les facteurs environnementaux et/ou génétiques qui expliquent ce phénomène? En pénétrant la structure fine du bois, la microtomographie à rayons X permet ainsi d’accéder aux mécanismes de propagation de l’embolie, qui sont encore largement inconnus et constituent un front de science à explorer.

Pourquoi s’intéresser à l’embolie ?

L’embolie gazeuse est un évènement grave pour un arbre. A l’origine, se trouve le phénomène de cavitation, provoqué par la sécheresse, qui se traduit par l’entrée d’une bulle d’air dans un canal conducteur d’eau. Le canal touché se vide alors quasi-instantanément et devient hydrauliquement non-fonctionnel : la circulation d’eau est interrompue, c’est l’embolie. Si le stress hydrique s’intensifie, celle-ci peut se propager de proche en proche : le passage d’une bulle d’air d’un canal à son voisin se fait alors à travers les parois, via des pores microscopiques appelés ponctuations. La propagation de l’embolie peut impacter sérieusement la fonction de conduction et mettre en jeu la survie même de l’arbre.

La microtomographie : méthode de référence pour la mesure de l’embolie

La microtomographie à rayon X est en passe de devenir « LA » méthode de référence pour la mesure de l’embolie. Que ce soit avec des dispositifs de laboratoire comme celui de l’unité PIAF (2) à l’Inra de Clermont-Ferrand, ou avec de grands outils synchrotrons comme l’ESRF ou SOLEIL, cette technique permet d’atteindre des résolutions spatiales de l’ordre du micron, voire en deçà. « Nous pouvons ainsi descendre à l’échelle cellulaire, explique Eric Badel, chercheur dans l’unité PIAF. Nous nous intéressons actuellement à la structure des ponctuations : ultrastructure et composition chimique (3). Ce sont en effet les « talons d’Achille » de la fonction de conduction, puisque les bulles d’air se propagent à travers elles ».

Les informations fournies par la microtomographie à rayon X alimentent tout un champ de recherches développé au PIAF et visant à expliquer pourquoi certaines essences sont plus résistantes que d’autres à ce phénomène d’embolie, crucial pour la survie des arbres lors des grandes sécheresses.

(1) Les canaux conducteurs du bois sont des cellules mortes vidées de leur cytoplasme et connectées les unes aux autres par des ouvertures microscopiques dans leur paroi cellulaire : les ponctuations. Chez les feuillus, ces canaux, structure anatomique spécialisée à la fonction principale de conduction hydraulique, sont appelés « vaisseaux » et peuvent atteindre plusieurs dizaines de centimètres, voire plusieurs mètres. Alors que chez les résineux, la conduction est assurée par des cellules de faible longueur (2 mm), les « trachéides », qui assurent aussi le soutien mécanique de l’arbre.

(2) Unité PIAF : Physique et Physiologie Intégratives de l'Arbre Fruitier et Forestier

(3) Programme ANR Pitbulle porté par Hervé Cochard (Inra-Clermont Ferrand), en collaboration avec l’unité Inra BIA (Biopolymères, Interactions Assemblages) de Nantes et une équipe de physiciens de l’Institut de Mécanique de Fluides de Toulouse.

Lire aussi l'article : Sécheresse ou gel, les cris d'alarme des plantes avant l'embolie.

Références :

Cochard H., Delzon S. and Badel E., 2015. X-ray microtomography (micro-CT): a reference technology for high-resolution quantification of xylem embolism in trees. PCE. 38:201-206.

Dalla-Salda G., Fernández M. E., Sergent A. S., Rozenberg P., Badel E. and Martinez-Meier A. 2014. Dynamics of cavitation in a Douglas-fir tree-ring: transition-wood, the lord of the ring?  Journal of Plant Hydraulics 1: e-0005

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Eric Badel UMR0547 PIAF Physique et Physiologie Intégratives de l'Arbre Fruitier et Forestier
Département(s) associé(s) :
Environnement et agronomie, Écologie des forêts, prairies et milieux aquatiques
Centre(s) associé(s) :
Auvergne - Rhône-Alpes

La circulation de l’eau dans l’arbre

Le système hydraulique d’un arbre est très particulier. Si la circulation de l’eau du bas (racines) vers le haut (feuilles) de l’arbre à travers les canaux conducteurs est possible sur toute la hauteur du tronc, c’est parce que la colonne d’eau est tirée par l’évaporation qui se produit au niveau des stomates des feuilles. La colonne d’eau est donc sous tension, à l’image d’une corde tendue qui peut casser suite à l’entrée d’une bulle d’air dans le conduit.

L’embolie est-elle réversible ?

Avant d’avoir accès à la visualisation directe du phénomène, on pouvait mesurer globalement la vulnérabilité à la cavitation au niveau macroscopique, par des méthodes hydrauliques. Hervé Cochard (1) a notamment développé le Cavitron, dispositif original qui permet de mesurer la perte de conduction hydraulique d’échantillons de branches ou de tiges, lorsqu’on les soumet à une centrifugation qui recrée artificiellement la tension subie dans les colonnes d’eau par l’évaporation au niveau des stomates.

« Avec le Cavitron, on arrivait parfois à un paradoxe car certaines essences comme la vigne, l’olivier ou le chêne, réputées pour leur résistance à la sécheresse, semblaient emboliser très vite, à des niveaux de tensions que les arbres atteignent quasiment quotidiennement. D’où l’hypothèse qui courait que ces espèces devaient pouvoir réparer les dégâts de l’embolie très vite aussi. C’est toute une théorie sur le fonctionnement de ces essences qui avait été échafaudée. Depuis, nos observations par microtomographie à rayon X ont montré que ces essences embolisent en réalité très tardivement, à des niveaux de tension élevés, et que d’une manière générale, la cavitation est un phénomène finalement assez rare, fort heureusement pour nos arbres ! Quant à la l’hypothèse de la réparation, nous n’avons jamais pu l’observer, même en se mettant dans des conditions de réhydratation propices. On a donc bien tout un paradigme qui s’est effondré sur les mécanismes de résistance à la sécheresse du fait des visualisations produites par la microtomographie X », détaille Eric Badel. 

(1) Directeur de Recherche dans l’unité PIAF de l’Inra de Clermont-Ferrand

Microscope et microtomographe X : 300 ans d’écart !

A gauche, le premier dessin issu d’observation au microscope optique (Grew, 1674). 
A droite,  un scan de microtomographie à rayon X (Badel  2014).. © Inra, Eric Badel
© Inra, Eric Badel

Trois cents ans séparent ces deux représentations de la structure interne de Vitis (vigne) :

  • A gauche, le premier dessin issu d’observation au microscope optique (Grew, 1674).
  • A droite,  un scan de microtomographie à rayon X (Badel  2014).

 La microtomographie aux rayons X permet d’observer la structure de l’échantillon de manière non-destructive. Cette technique d’imagerie se base sur la propriété de la matière à absorber les rayons X qui la traverse en fonction de la nature et de la densité de ses constituants. Les images obtenues sous différents angles sont "reconstruites" et la structure interne de l’objet peut alors être observée en 3D sous n’importe quel plan de coupe virtuel.

Depuis 2010, le laboratoire PIAF (INRA Clermont-Ferrand) dispose d’un microtomographe à rayons X permettant d’observer des tiges de quelques dizaines de cm. Dans les dispositifs de type Synchrotron, ce sont des arbres de plus d’un mètre que l’on observe.