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Ecran de contrôle de l'ordinateur pilotant la plateforme Phénoarch.. © Inra, SLAGMULDER Christian

Modélisation et agrosystèmes

Des modèles pour comprendre la croissance des plantes cultivées

Les modèles de peuplements virtuels permettent aujourd’hui d’explorer la croissance des plantes cultivées, seules ou en association, en fonction des facteurs de leur environnement.  

Par Catherine Foucaud-Scheunemann
Mis à jour le 19/11/2014
Publié le 28/10/2014

Comprendre la croissance des plantes cultivées en fonction des facteurs de leur environnement est une gageure que les modèles de peuplements virtuels permettent aujourd’hui d’explorer. Ces modèles  prennent en compte deux niveaux d’intégration - de l’organe à la plante et de la plante au peuplement (ensemble de plantes). Ils sont de type descriptif ou mécaniste.

 Les modèles descriptifs pour représenter et analyser

De plus en plus utilisés, les modèles descriptifs permettent de  représenter une structure végétale en trois dimensions de manière réaliste et d’analyser ce qui se passe dans différentes conditions de croissance.

Ces modèles trouvent leur intérêt dans différents travaux de recherche au sein des équipes Inra portant sur :

  • les déterminants de la plasticité architecturale des plantes.

Chez le blé, la production de pousses axillaires (tallage) est un facteur clé de du rendement cultural. La simulation in silico de la dynamique de tallage du blé de printemps (Triticum aestivum) dans plusieurs conditions de densités de plante et d’ombrage a montré que l’arrêt du tallage est lié au degré de couverture du sol plutôt qu’à la quantité de rayonnement incident sur la plante.

  • le rôle de l’architecture végétale dans les épidémies.

Des modèles ont été développés pour simuler le cycle du champignon responsable de la septoriose du blé ou celui du mildiou de la vigne, dans des peuplements décrits en trois dimensions. Ces modèles permettent de faire varier différents paramètres du développement et de la croissance des plantes afin de déterminer leur impact sur les épidémies.

  • le partage de la lumière dans des associations variétales.

Au sein d’associations culturales, l’architecture aérienne des individus détermine la structuration physique de la canopée, qui conditionne elle-même l’interception du rayonnement lumineux. Dans le cadre d’associations blé–pois, les ramifications ou les entrenœuds sont des paramètres architecturaux qui affectent le partage de la lumière et donc le développement de l’association. C’est ce qu’ont montré les modèles L-Pea et Adel-Blé de morphogénèse aérienne du pois et du blé, respectivement, couplés au modèle Caribu de transferts radiatifs. Ces résultats ouvrent la voie à la construction ou à la sélection de nouvelles variétés ou idéotypes.

Les modèles mécanistes, pour simuler

Les modèles mécanistes (en anglais Functional-Structural Plant-Models) expriment des hypothèses sur un fonctionnement et simulent les effets des pratiques ou encore des conditions environnementales sur l’état d’un couvert végétal.

 Ainsi, le modèle NEMA (Nitrogen Economy Model within plant Architecture) simule les dynamiques spatio-temporelles de l’azote et du carbone dans la plante à partir de la disponibilité en nitrates du sol, du microclimat lumineux perçu par les tissus et d’une description de la plante à la floraison. Une perspective à court terme consiste à étendre NEMA à l’ensemble du cycle de la plante, afin de rendre compte de la plasticité en réponse à la nutrition azotée. Chez le blé, il s’agira de simuler l’impact d’itinéraires à faible niveau d’intrants sur le développement de l’architecture et les conséquences sur les épidémies et la production.

 Application aux associations culturales

Aujourd’hui, les représentations en trois dimensions, notamment par les modèles descriptifs, ont d’ores et déjà permis d’accéder à des variables physiques d’intérêt sur les structures végétales. Demain, de nouveaux modèles pourront vraisemblablement rendre compte d’autres fonctionnalités, telles que la complémentarité temporelle pour l’acquisition des ressources, ou encore les possibilités de compensation dans les associations culturales. Ces associations, génératrices de biodiversité, présentent un grand intérêt écologique. Elles sont de règle dans les systèmes prairiaux, mais sont encore peu développés dans les systèmes de grandes cultures. L’utilisation des modèles permettra de mieux comprendre ces systèmes complexes, afin de raisonner le choix des variétés ou espèces à associer, d’adapter les pratiques et de faire évaluer la sélection vers la construction d’idéotypes adaptés aux couverts plurispécifiques.

 

 Voir la présentation de Bruno Andrieu :

Présentation Bruno Andrieu, modélisation, 21

et écouter simultanément la bande son :

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

Département(s) associé(s) :
Environnement et agronomie
Centre(s) associé(s) :
Versailles-Grignon

Références

  • Calonnec A. et al. 2008. A host-pathogen simulation model: powdery mildew of grapevine. Plant Pathol.57: 493. 
  • Robert C. et al. 2008. Coupling a 3D virtual wheat plant model with aSeptoria triticiepidemic model: a new approach to investigate plant-pathogen interactions linked to canopy architecture. Funct. Plant Biol. 35 : 997. 
  • Barillot R. et al. 2012. How does pea architecture influence light sharing in virtual wheat–pea mixtures? A simulation study based on pea genotypes with contrasting architectures. AoB Plants,2012, pls038.
  • Evers J. B. et al. 2006. Cessation of tillering in spring wheat in relation to light interception and red: far-red ratio. Ann. Bot. 97: 649.
  • Bertheloot J. et al. 2011. NEMA, a functional-structural model of nitrogen economy within wheat culms after flowering: I. Model description. Ann. Bot. 108: 1085.

Quelques projets utilisant des modèles mécanistes

Ce type de modèle est actuellement utilisé dans plusieurs projets scientifiques que coordonne l’Inra, parmi lesquels :

  • Echap - Réduire l’utilisation des fongicides en associant stratégies de traitements optimales et couverts échappant aux maladies (Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, 2011-2013 ; Coordination : Corinne Robert, UMR Environnement et grandes cultures, Inra Versailles-Grignon). 
  • Wheatamix - Augmenter la diversité génétique au sein des parcelles de blé pour renforcer la multifonctionnalité et la durabilité de la production dans le Bassin parisien (Agence nationale de la recherche, 2014 - 2018 ; Coordination : Jérôme Enjalbert, UMR Génétique végétale, Inra Versailles-Grignon). 
  • Breedwheat - Développer de nouvelles variétés de blé pour une agriculture durable (Investissements d’avenir, 2011-2020 ; Coordination : Jacques Legouis, UMR Génétique, diversité et écophysiologie des céréales, Inra Clermont-Ferrand, Theix, Lyon).