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Un modèle mécaniste de transport phloémien et de répartition du carbone entre organes.

En bref

Le modèle PiafMunch a été conçu afin de simuler la dynamique du transport des photoassimilats et la répartition entre differents organes puits au sein d’une architecture végétale complexe. Il se base sur une representation discrétisée du système vasculaire constituée des 2 voies xylémienne et phloémienne, interconnectées au niveau des nœuds du réseau. En ces points, les flux d’eau et de solutés transmembranaires sont déterminés par les propriétés biophysiques de la membrane et la disponibilité locale en soluté, en relation avec le métabolisme local (Fig. 1). Suivant le modèle de Münch (Fig. 2), ces échanges locaux génèrent des gradients de soluté au sein du système phloémien, générant eux-mêmes des gradients de pression à l’origine du transport à longue distance. Voir Lacointe et Minchin (2019) pour les détails et les équations.

   Figure 1 : Discrétisation de l’architecture

Figure 2 : le modèle de Münch (1928)

Implementation

Conçu à l’origine comme une application Spice™ (Daudet et al., 2002), PiafMunch (v.2) se présente  aujourd’hui (Lacointe et Minchin, 2019) sous la forme d’une application C++ semi-compilée offrant une grand souplesse dans la définition, aussi bien de l’architecture que des propriétés physiologiques des voies de transport, des puits/sources et des conditions aux limites, avec possibilité de les faire varier de façon dynamique. Les équations du modèle, différentielles, linéaires ou non, sont ensuites résolues par des algorithmes très performants. Le modèle a été validé sur un système expérimental utilisant le marquage au ¹¹C (Thorpe et al., 2011).

Figure 3 : L’interface utilsateur de PiafMunch.

Exemple de simulation : dynamique de concentration en soluté dans un tube criblé théorique à chargement constant à une extrémité et déchargement fonction de la concentration à l’autre bout, avec changement brutal et temporaire de la résistance phloémienne à t = 50 hrs.

Applications

Le modèle PiafMunch a été appliqué à differents systèmes théoriques, mettant notamment en évidence l’effet de la transpiration sur la répartition du carbone entre 2 puits (Fig. 4), ou l’impact du déchargement / rechargement local le long de la voie phloémienne (Minchin and Lacointe, 2017). Il figure en tant que module de répartition des ressources dans le modèle structure-fonction CPlantBox (Zhou et al. 2018).

Figure 4 : Effet du flux transpiratoire sur la répartition des essimilats entre 2 puits michaeliens d’égale vitesse maximum d’importation (V_max) mais d’ affinités (k_M) différentes (Lacointe et Minchin, 2008)

Contact :  andre.lacointe@clermont.inrae.fr

Références :

Giraud M. et al. (2023) CPlantBox: a fully coupled modelling platform for the water and carbon fluxes in the soil–plant–atmosphere continuum, in silico Plants, vol. 5, Issue 2. DOI: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad009

Zhou X.-R., Schnepf A., Vanderborght J., Leitner D., Lacointe A., Vereecken H., Lobet G. (2020) CPlantBox, a whole-plant modelling framework for the simulation of water- and carbon-related processes. in silico Plants, vol. 2. DOI: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diaa001

Lacointe, A, Minchin, P.E.H. (2019). A mechanistic model to predict distribution of carbon among multiple sinks. In : Liesche, J. (ed), Phloem : Methods and Protocols (chapter 28), Methods in Molecular Biology, vol. 2014, Berlin, DEU, Springer, DOI : https://doi.org/10.1007/978-1-4939-9562-2_28

Ref. citées :

Münch, E. (1928). Versuche über den Saftkreislauf. Deutsche botanische Gesellschaft 45, 340-356

Minchin, P., Lacointe, A. (2017). Consequences of phloem pathway unloading/reloading on equilibrium flows between source and sink: a modelling approach. Functional Plant Biology, 44 (5), 507-514. , DOI : 10.1071/fp16354. http://prodinra.inra.fr/record/395620.

Thorpe, M., Lacointe, A., Minchin, P. (2011). Modelling phloem transport within a pruned dwarf bean: a 2-source-3-sink system. Functional Plant Biology, 38 (2), 127-138. , DOI : 10.1071/FP10156. http://prodinra.inra.fr/record/45483.

Lacointe, A., Minchin, P. (2008). Modelling phloem and xylem transport within a complex architecture. Functional Plant Biology, 35 (10), 772-780. , DOI : 10.1071/FP08085. http://prodinra.inra.fr/record/22480.

Daudet, F.A., Lacointe, A., Gaudillère, J.P., Cruiziat, P. (2002). Generalized Münch coupling between sugar and water fluxes for modelling carbon allocation as affected by water status. Journal of Theoretical Biology, 214, 481-498. http://prodinra.inra.fr/record/60522

Zhou X., Lacointe A., Leitner D., Lobet G., Schnepf A., Vanderborght J., Vereecken H. (2018). Presentation of CPlantBox: a whole functional-structural plant model (root and shoot) coupled with a mechanistic resolution of carbon and water flows. Presented at 6th International Symposium on Plant Growth Modeling, Simulation, Visualization and Applications - PMA2018, Hefei (Chine), CHN. CHN : PMA2018. A0. https://prodinra.inra.fr/record/452227

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