Le modèle écophysiologique WALTer reproduit l’effet de la compétition pour la lumière sur le tallage du blé cultivé en mélange de variétés

Dans un article publié dans la revue Annals of Botany, Christophe Lecarpentier, doctorant dans l’équipe DEAP, présente WALTer, une application destinée à simuler le développement 3D de l’architecture aérienne du blé d’hiver, du semis à l’épiaison.

Levier clé de la transition agroécologique(1), la diversification des cultures est nécessaire au développement d’une agriculture plus durable. Les mélanges de variétés(2) contribuent à cette diversification et connaissent actuellement une forte croissance chez le blé en France. Cependant, lorsqu’on mélange des variétés dans une même parcelle, la cohabitation entraîne des interactions positives comme la compensation(3), mais aussi négatives comme la compétition, qui se traduisent par des modifications du développement de chaque variété.

Cultivé en mélange de variétés (par ex. des variétés hautes et courtes, et/ou précoces et tardives) le blé tendre (T. aestivum) réagit en adaptant son tallage(4), c’est-à-dire le nombre de tiges (talles) qu’il va produire et qui porteront des épis. L’équipe DEAP a cherché dans un premier temps à comprendre comment cette adaptation du tallage s’effectue, via le modèle WALTer développé au cours de sa thèse par Ch. Lecarpentier ; puis les chercheurs ont évalué la capacité du modèle à prédire une dynamique de tallage proche des données de terrain.

WALTer (Wheat Association L-system Tillering) est un modèle écophysiologique destiné à simuler le développement 3D de l’architecture aérienne du blé d’hiver, du semis à l’épiaison. Le modèle est défini à l’échelle de la plante, et simule un peuplement (ensemble d’individus en interaction). WALTer a été développé en utilisant le formalisme des L-systèmes via la plateforme de simulation L-Py. Le formalisme L-systèmes permet la description de l’architecture des plantes par un ensemble de modules dynamiques, chacun représentant les composants de la plante ainsi que leur topologie et leur géométrie. Deux processus clés de la plasticité des pieds de blé en compétition pour la lumière sont simulés : i) la perception précoce de la présence de voisins, qui provoque l’arrêt d’émission des talles ; ii) l’ombrage qui limite les ressources pour le développement de la plante et conduit à la mort de talles.

Dans un article publié dans Annals of Botany, C. Lecarpentier et al. ont décrit la capacité du modèle WALTer à prédire de façon réaliste une dynamique du tallage proche des données recueillies par des méthodes expérimentales sur plusieurs densité de semis tout en utilisant des règles simples et un nombre réduit de paramètres de tallage.

Le tallage est décrit comme un processus auto-régulé ; il est modélisé à travers trois mécanismes : (i) chaque bourgeon axillaire peut débourrer selon un rythme calé sur l’émergence des feuilles, et donner ainsi un nouvel axe selon une probabilité (pT ) (ii) la plante arrête d’émettre de nouvelles talles dès que le niveau de végétation dans son voisinage atteint un seuil : le GAI critique (GAIc) et (iii) une talle qui n’intercepte pas une quantité suffisante de lumière (PARt) pendant une période de temps donnée régresse et meurt.

Chez les plantes, la perception précoce du voisinage s’appuie sur des régulations du développement liées à la qualité de lumière interceptée (Ratio Rouge Clair/Rouge Sombre), avant que la quantité de lumière n’impacte la photosynthèse. WALTer « approxime » cette étape en intégrant le développement foliaire des plantes voisines (GAI), simplification qui s’est montrée satisfaisante. De la même façon, WALTer ne simule pas les assimilats photosynthétiques, mais s’appuie sur un seuil d’exposition à la lumière (PARt), qui conditionne la sénescence des talles. Ces paramètres permettent de moduler la dynamique de tallage de façon économique en temps de calcul, et crédible en termes de développement de la plante.

L’interception de la lumière se fait à l’échelle de l’organe ; elle est calculée à l’aide du modèle de rayonnement Caribu qui utilise la représentation 3D des plantes virtuelles pour agréger la quantité de lumière interceptée par talle et par plante, afin ainsi de simuler la compétition pour la lumière qui a lieu dans les parcelle entre les plantes voisines. La compétition pour les autres ressources, telles que l’eau, l’azote ou d’autres minéraux n’est pas considérée explicitement.

L’analyse de sensibilité a confirmé le rôle prédominant des paramètres GAIc, et du PARt sur la variabilité des sorties de WALTer. De plus, une fois calibré sur une densité agronomique (200 plantes m2), WALTer a permis une prédiction réaliste de la dynamique de tallage pour des densités comprises entre 50 et 600 plantes par m2. Cependant, le modèle montre des limites de validité pour les densités extrêmes (5, 25 et 800 plantes/m2), ces densités n’étant toutefois quasiment jamais rencontrées en conditions agronomiques.

Désormais développé et validé, le modèle WALTer est actuellement utilisé pour explorer la compétition pour la lumière entre variétés différentes de blé.

Référence

Contact :

Jérôme Enjalbert

Glossaire

1. Agroécologie : pratiques agricoles, et discipline scientifique, qui portent sur le remplacement des intrants de synthèse par la valorisation de régulations biologiques.

2. Mélange de variétés : consiste à semer plusieurs variétés dans une même parcelle.

3. Compensation : développement accru d’un individu qui permet de maintenir une exploitation des ressources, une production, en bénéficiant des ressources d’un individu voisin.

4. Tallage : production de plusieurs tiges (ramification) à partir d’une même graine, chez les céréales.