Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP,

Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire?

Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, NancyThierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, MontpellierBruno Moulia, INRA, UMR PIAF, Clermont-Ferrand

PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS Lyon

I - La biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

II - Le dispositif de recherche actuel en France

III- Plantes virtuelles et biomécanique

IV- Les messages à ramener à la maison


PLAN DE L’EXPOSE

Vent

Structure aérienne

Forces de trainée +Poids propre

Transmission des forcesà l’ensemble racines-sol

Bras de levier

Ancrage racinaire

+

Vibration (fréquences; amortissement)Contraintes & déformations


I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

L’arbre : une structure soumise à des forces extérieures

vent

Pivotementracinaire

gravitropisme

L’arbre : une structure vivante qui réagit!!!

PLANTVIRT 2008 - 27-28 mars, ENS LyonI - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

Couple croissance primaire, croissance secondaire et différenciation de bois, et croissance racinaire pour permettre le dimensionnement mécanique, le maintien et le déploiement de l’architecture

gravité

Reduced Sway

Spring 2003

Moulia and Combes 2004

Coutand in Fournier et al.., 2005

• DimensionnemenDimensionnement (dans la gamme écologique de vent) = thigmomorphogenèse

• Contrôle actif du portContrôle actif du port (quand dimensionnement pris en défaut): tropismes

(Moulia et al. 2006)

Les processus biomécaniques : Un grand rôle dans le contrôle de la distribution de la croissance et dans les relations croissance qualité

Cou

tand

in F

ourn

ier

et a

l. 20

05


Le bois matériau passif

structure (macro-micro)=> propriétés mécaniques

Les racines : fonction d’ancrage

Interactions racines-sol, architecture

Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes

Le bois matériau actif

Le houppier : structure aérienne

Répartition de la biomassePrise au ventTransmission des effortsAmortissement aérodynamique


Croissance et différenciation :Structure et matériau=f(t, état mécanique ….),

mécano- et gravi- perception


QUESTIONS :

Caractériser et modéliser les lois de comportement du bois

Comprendre les relations entre la structure du bois (micro-macro) et ses propriétés mécaniques

ENJEUX :

Paramétrage des modèles mécaniques pour analyses à différentes échelles

Améliorer la qualité du bois formé dans l’arbre





QUESTIONS :

Comprendre les mécanismes de mécanoperception et de contrôle de la croissance et de sa distribution

Variables perçues ? déformation

Réponse de croissance et intégration dans l’arbre en fonction du « climat mécanique » (vent)

ENJEUX :

Prise en compte des couplages bio-mécaniques entre croissance II, IIre, racinaire, dans les modèles (gain en robustesse)

Acclimatation des arbres au vents dans un contexte de changements climatiques ( tempêtes plus fréquentes à même vent constant annuel)

Conséquences sur la forme des fûts et la qualité des bois (flexure wood)

Croissance et différenciation :Structure et matériau=f(t, état mécanique ….),

mécano- et gravi- perception



QUESTIONS :

Influence de la structure aérienne sur la répartition des forces dans l’arbre;

Impact de la structure aérienne sur les comportement aérodynamique de l’arbre (fréquences propres, amortissement de structure)

ENJEUX :

Relations entre sylviculture, QB et volis

Mieux appréhender la diversité des formes en relation avec le contexteécologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution)





QUESTIONS :

Influence de l’architecture racinaire sur l’ancrage de l’arbre;

ENJEUX :

Etudes sur les risques de chablis

Mieux appréhender les processus d’adaptation de la croissance racinaire aux contraintes mécaniques (plasticité architecturale)





QUESTIONS :

Comprendre les mécanismes de déformation de maturation à différentes échelles

Mécanoperception et différentiation cellulaire

Comment les contraintes de maturation se mettent en place

Relations forme-contraintes de croissance

ENJEUX :

Intégration des tropismes secondaires (gravi-, hélio-, auto-, etc.) dansdes modèles de biomécanique aux échelles axe, arbre, peuplement.

Conséquences sur la qualité du bois (bois de réaction, anisotropie de la croissance, précontraintes et fentes d’abattage, forme des tiges, etc..)

Mieux appréhender la diversité des bois en relation avec le contexteécologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution)




Evolution

Plasticité

Varaiabilité

mécanoperception

cellule organe axe plante population

seco

nd

es

jou

rsa

nn

ée

sd

éce

nn

ies

Différentiation et maturation cellulaire

ElongationAnisotropie

Différentiel DM

TropismesArcure

Contraintes

VibrationsAmortissement

Ruine

mill

én

aire

sI - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques

II – le dispositif de recherche actuel en France

MONTPELLIER

CLERMONT-FERRAND

NANCY

BORDEAUX

INRA-EFPA

LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc

Ecologie, Sylviculture, Croissance des Arbres et Qualité du bois, Bois de réaction, GravitropismeFacteurs de risque, stratégies de croissance

Echelles: Arbre Mature, Peuplement, communautes

INRA EA- EFPA, Univ Clermont II

PIAF-MECA: PIAF-MECA: 6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc6 chercheurs, 1 postdoc, 5 doc

Bio-Mécanique Intégrative de l’acclimatation mécanique: mécano et gravi-perception, thigmomorphogénèse, tropismes, modélisation biomécanique intégrative

Echelles: Celulle, tissus, organe, arbre dans son environnement

INRA EFPA- CIRAD-CNRS

AMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 docAMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 doc

Architecture, acclimatation, évolution, stabilité, modèles SF

Echelles: axe, plante, population

INRA EFPA- Univ BdxBIOGECO: 3 Chercheurs

Formation du bois, ancrage racinaireEchelles: cellule, tige, population

INRA EFPA

AGPF: 3 Chercheurs Formation des parois lignifiés, Bois de Tension PeuplierEchelles: Cellule-plante

CNRS – Paris Tech (X)

LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc

Dynamique vibratoiresInteractions fluides solide

Biomimétique

Echelles: plante dans son environnement

INRA EA EFPAEphyse 2 chercheurs, 1 postdocEphyse 2 chercheurs, 1 postdocIntéractions physiques vent-forêt

Echelles: Arbre Mature, Peuplement

CNRS-Univ Montp II

LMGC: 5 chercheurs, 1 docLMGC: 5 chercheurs, 1 docContraintes, bois de réaction, rhéologieEchelles: micro-structure, cellule, axe

Bioméca INRA

Méca – bioméca CNRS

Bio INRA avec connections bioméca

Coll en cours avérée: ANR Woodiversity, Chène Roseau, thèse coencadrée, publi

INRA BV Univ Versailles

Equipe PAROIS- IJB : 3 Chercheurs Formation des parois Ires et IIre, At PeuplierEchelles: Cellule- plante

Numérisation de structures réelles

Codage sous un format MTG AMAP (Godin et al., 1999)

Fichier de commandes généré pour l’analyse MEF

Analyse des résultats et

visualisation

Debout1374

020000

4000060000

80000100000

120000

0 5 10 15 20 25

Déplacement (m)

Forc

e (

N)

Nord

Ouest

(d’après Fourcaud et al. 2003, Proc. PMA03)

Maillage de la structure en

éléments de poutres

Addition de la matrice de solCalcul MEF

Visualisation et analyse architecturale

III – Plantes virtuelles et biomécanique

Quelques exemples d’applications

III – Plantes virtuelles et biomécanique

Quelques exemples d’applications

Ancrage racinaire


Dupuy et al., 2005, 2007

Dynamique de l’arbre

Sellier et al., 2006, 2008Couplage croissance-biomécanique

Fourcaud et al., 2003

e)

CW

a)

b)

tree T9

tree T9

Gravimorphisme (première tentative de rétroaction méca-croissance)

Fourcaud et al., 1998

III – Plantes virtuelles et biomécaniqueCouplage biomécanique-croissance

OBJECTIF :

Nécessité d’intégration à l’échelle de l’arbre pour comprendre les interactions entre biomécanique et développement










III – Plantes virtuelles et biomécaniqueCouplage biomécanique-croissance

3D architecturephenotype

leaves

fruits

roots

C r

ese

rve

s

Sinks

Air sources

Root-soilinteractions

Wind, gravity

C

wood

buds

INPUTS

INV

ES

TM

EN

T

Me

riste

ma

tic a

ctiv

ity

Ontogeny

An

cho

rag

eF

orce

s

Timing/Duration

Bio

me

cha

nic

al r

esp

on

ses

Mechanical state(strains, stresses, sway frequencies,

damping, etc.)

Genetic control of phenology during ontogeny

Functional duration of organsUptake kinetics

RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des assimilats à plusieurs échelles :assimilats à plusieurs échelles :

• via les forces de puits dans un schéma « classique »via les forces de puits dans un schéma « classique »

• via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui déterminent forces de puits et transport déterminent forces de puits et transport


IV – Les messages à ramener à la maison

Nécessité d’intégrer la biomécanique dans des modèles multifonctions (interaction avec d’autres processus)

Nécessité de développer des modèle Structure-Fonctions pour la biomécanique (modèles à géométrie explicite de mécanique des structures couplés à des modèles biologiques)

Existence d’un réseau français de biomécanique structuré, dynamique et en extension

Importance de la biomécanique dans les processus de croissance (relations forme de croissance-biomécanique; durée de vie, i.e. volis et chablis)


Nécessité de développer des modèles de structure simplifiés pour application à plus grande échelle (relations formes-hétérogénéité bois-précontraintes dans le tronc, QB)

Documents

Biomécanique des plantes: des modèles structure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP,