What does the functional-structural plant model HydroShoot tell us about the reasons for photosynthesis depression in grapevine (​Vitis vinifera​ L.)photosynthesis depression?

Albasha Rami, Simonneau Thierry, Pradal Christophe, Fournier Christian, Lebon Eric. 2017. What does the functional-structural plant model HydroShoot tell us about the reasons for photosynthesis depression in grapevine (​Vitis vinifera​ L.)photosynthesis depression?. . Mendoza : COVIAR, 10 p. GiESCO International Meeting. 20, Mendoza, Argentine, 5 Novembre 2017/10 Novembre 2017.

Url - éditeur : http://giescomendoza2017.inv.gov.ar

Résumé : Grapevine is a species that get along with water deficit. Yet, it cannot always stand thirst when accompanied by high temperatures, reducing noticeably its gas-exchange rates. Elucidating the origins of this reduction is a challenge, regarded the complex hydraulic, biochemical and energy processes lying behind gas-exchanges. In this work we analyze data collected from an experiment conducted at he whole plant scale on Syrah vines with the aid of the functional-structural plant model HydroShoot. During our experiment, we submitted grapevines to a severe water stress and observed a steep drop in whole plant photosynthetic rates at midday, that was not due to stomatal closure, suggesting that both processes were decoupled at this moment. Using HydroShoot, we explore whether this decoupling results from a direct water limitation on biochemical processes. HydroShoot links xylem hydraulic transport to gas and energy exchanges processes at the organ level. It simulates the effect of water deficit on xylem and stomatal conductances. The biochemical reactions of photosynthesis are affected by water deficit both indirectly through diffusional limitation and directly, through a reduced electron transport rate. Temperature affects photosynthetic rates through Arrhenius functions. Using HydroShoot, we show that photosynthetic, midday depression could not be explained by simple hydraulic limitations. Bulk leaf water potential dropped to -1.6 MPa but this drop only affected J max when temperatures exceeded 34 °C. Neither the Arrhenius response, nor the water limitation considered independently were sufficient to predict the observed drops. Only when responses to water and temperature were combined were we able to reproduce these observations, suggesting that photoinhibition may have occurred under these conditions. Apart from an evidence of photoinhibition, our simulations indicate that xylem cavitation could not explain the observed drop in bulk leaf water potential. By contrast, a decrease in soil water potential has dramatic effects, much stronger than changes in xylem conductivity. The hydraulic architecture did not seem to play a major role in triggering stomatal closure. We conclude that an adequate prediction of grapevines water use efficiency under water deficit conditions relies strongly on soil hydraulic properties and photoinhibition predictions.

Résumé (autre langue) : La vigne est une espèce qui a la réputation de tolérer le déficit hydrique. Toutefois, cette tolérance est réduite lorsque la vigne est soumise à la combinaison d'un déficit hydrique accompagné de températures élevées. Sous de telles conditions, les échanges gazeux entre la plante et l'atmosphère sont réduits par un ensemble de mécanismes complexes de transport hydrauliques, d'échanges d'énergie ou d'activité biochimique dont l'identification et la caractérisation représentent un défi. Dans ce travail, nous analysons les résultats obtenus d'une expérimentation menée sur des vignes de Syrah à l'aide du modèle HydroShoot de type structure-fonction. Au cours de notre expérimentation, nous avons soumis les vignes à un déficit hydrique sévère et avons observé une forte dépression de l'activité photosynthétique à midi qui ne s'avérait pas totalement expliquée par la fermeture stomatique. En utilisant HydroShoot, nous avons testé si ce découplage résultait d'une limitation non-diffusionnelle de l'activité photosynthétique. Le modèle HydroShoot intègre les processus de transport hydraulique, d'échange gazeux et d'échange d'énergie dans un seule cadre commun au niveau de l'organe. Il permet de simuler la cavitation du xylème et la réduction de la conductance stomatique sous l'effet du déficit hydrique. L'activité photosynthétique est affectée par le déficit hydrique à la fois indirectement par le biais de la fermeture stomatique et directement par le biais d'une fonction de photoinhibition. La photosynthèse varie également en fonction de la température des feuilles par le biais des fonctions d'Arrhenius. En utilisant HydroShoot, nous montrons que la dépression photosynthétique observée ne peut pas s'expliquer par la seule limitation hydraulique. Bien que le potentiel hydrique des feuilles soit extrêmement bas, de l'ordre de -1.6 MPa, cette baisse n'aurait affecté les réactions biochimiques de la photosynthèse que sous des températures supérieures à 34°C. Les simulations effectuées n'ont permis de prédire la dépression photosynthétique que lorsque la fonction de photoinhibition était considérée, combinant les effets des stress hydrique et thermique. Nous avons constaté par ailleurs que la simulation de la cavitation du xylème n'a que faiblement amélioré la prédiction des baisses de transpiration. Cette réduction résulte plus probablement de la baisse rapide de la conductivité hydraulique du sol. Finalement, nous concluons qu'une prédiction adéquate de l'efficacité de l'utilisation de l'eau des vignes dans des conditions de déficit hydrique dépend fortement des propriétés hydrauliques du sol et de la prédiction de la photoinhibition.

Mots-clés libres : Ecophysiology, Heat stress, Water stress, Modeling, Photoinhibition

Classification Agris : H50 - Troubles divers des plantes
F62 - Physiologie végétale - Croissance et développement
F61 - Physiologie végétale - Nutrition
U10 - Informatique, mathématiques et statistiques

Auteurs et affiliations

• Albasha Rami, INRA (FRA)
• Simonneau Thierry, INRA (FRA)
• Pradal Christophe, CIRAD-BIOS-UMR AGAP (FRA) ORCID: 0000-0002-2555-761X
• Fournier Christian, INRA (FRA)
• Lebon Eric, INRA (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/586073/)

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