Modélisation dynamique des interactions plante-environnement. Application à l'étude des interactions entre les relations sources-puits et les processus de développement chez la vigne

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Sous la direction de Philippe de Reffye
Thèse soutenue le 22 septembre 2009: Ecole centrale Paris
La modélisation dynamique du développement de la vigne offre de nombreuses possibilités pour évaluer la pertinence des pratiques culturales pour répondre à des objectifs de production. Le développement de la vigne résulte de l’effet de différents facteurs, environnementaux, génotypiques et techniques lorsqu’elle est cultivée. Une des principales variables endogènes, résultant des effets combinés de ces trois facteurs et qui détermine en grande partie la plasticité phénotypique est la compétition trophique entre les organes. Le développement des organes peut-être décomposé en trois processus, l’initiation (organogenèse), l’expansion (morphogenèse), et la croissance en biomasse. Pour la vigne, l’organogenèse des axes est le processus de développement présentant la plus grande plasticité. Ce travail établit les bases pour la construction d’un modèle prédictif, permettant de simuler le développement de plantes de vignes soumises à une gamme de pratiques culturales et dans des environnements contrastés. Notre travail combine deux approches de modélisation, écophysiologique et mathématique. L’originalité de ce travail a été d’utiliser les deux approches de façon conjointe pour tirer parti des outils et des concepts de chacune et pour combler leurs lacunes respectives dans un objectif de modélisation des interactions plante-environnement. Le modèle GreenLab et les outils d’optimisation qui lui sont associés ont permis de quantifier précisément les relations sources-puits entre les organes et le niveau de compétition trophique qui en résulte à l’échelle de la plante. L’approche écophysiologique a permis d’établir de nouveaux formalismes de la réponse des processus d’organogénèse aux contraintes environnementales, et de les implémenter dans le modèle GreenLab. Un simulateur stochastique du développement de la vigne dans des environnements variés (thermiques, hydriques, lumineux) a ainsi pu être développé.
-relations source-puits
-organogenèse
-morphogenèse
-croissance en biomasse
Dynamic models of grapevine development appear as promising tools to evaluate the relevance of training systems in order to improve both quality and quantity of production. Grapevine development is driven by different factors such as environment, genotype, and agronomic practices. The phenotypic plasticity is mainly controlled by an endogenous trait, the trophic competition between organs, which is determined by the other different factors. The development of the organs can be decomposed in three processes, the iniation (organogenesis), the expansion (morphogenesis) and the biomass growth. For grapevine, axis organogenesis was observed appear as the most plastic process. This study is a first step towards a predictive model, allowing to simulate the effects of different training systems and of contrasted environmental conditions on grapevine development. This work combines approaches based on ecophysiology and on mathematical modelling. The originality of this work was to use these two approaches together to take advantage of tools and concepts of both, and to fill in their respective deficiencies in order to model plant-environment interactions. GreenLab model and its associated optimization tools allowed to quantify precisely the source-sink relationships between organs and the trophic competition at the plant scale. The ecophysiological approach aims to input in GreenLab model new formalisms of grapevine organogenesis response to environmental constraints. In this way, a stochastic simulator of grapevine development in contrasted environments (temperature, water deficit, irradiance level) was built.
-grapevine
-ecophysiology
-biomass growth
Source: http://www.theses.fr/2009ECAP0027/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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Numéro d’ordre : 2009 ECAP 0027
ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »


THÈSE
présentée par

Benoît PALLAS

pour l’obtention du

GRADE DE DOCTEUR


Spécialité : Sciences de l’Ingénieur

Laboratoire d’accueil : Laboratoire MAS (Mathématiques appliquées aux systèmes).


Modélisation dynamique des interactions plante-environnement. Application à l'étude
des interactions entre les relations sources-puits et les processus de développement chez
la vigne.




Date de soutenance : 22 Septembre 2009

devant un jury composé de :


M. Paul-Henry COURNEDE Examinateur
M. Michael DINGKUHN Rapporteur
M. Eric GARNIER Examinateur
M. François HOULLIER Rapporteur
M. Jérémie LECOEUR Directeur de Thèse
M. Philippe DE REFFYE VIVIN Examinateur





tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010



























































tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010Numéro d’ordre : 2009 ECAP 0027
ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »


THÈSE
présentée par

Benoît PALLAS

pour l’obtention du

GRADE DE DOCTEUR


Spécialité : Sciences de l’Ingénieur

Laboratoire d’accueil : Laboratoire MAS (Mathématiques appliquées aux systèmes).


Modélisation dynamique des interactions plante-environnement. Application à l'étude
des interactions entre les relations sources-puits et les processus de développement chez
la vigne.




Date de soutenance : 22 Septembre 2009

devant un jury composé de :


M. Paul-Henry COURNEDE Examinateur
M. Michael DINGKUHN Rapporteur
M. Eric GARNIER Examinateur
M. François HOULLIER Rapporteur
M. Jérémie LECOEUR Directeur de Thèse
M. Philippe DE REFFYE VIVIN Examinateur





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tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010
























A mon grand-père
A mes parents





























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tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010REMERCIEMENTS


Il est de tradition de commencer les premières lignes des manuscrits de thèse en remerciant tous les gens qui
ont contribué à l’aboutissement des ces trois années de travail. Je me plierai d’autant plus volontier à cet
exercice que cette thèse n’aurait jamais pu être réalisée sans l’appui, l’aide, l’enthousiasme et le
professionnalisme des gens qui m’ont entouré.

Mes premiers remerciements s’adressent à Philippe De Reffye, qui m’a fait l’honneur de diriger ce travail. Votre
enthousiasme et votre passion pour la modélisation du développement des plantes ne peuvent être que
communicatifs et vos explications sur le modèle GreenLab sont toujours très instructives et aident tant à
progresser.

Paul-Henry, quel courage tu as dû avoir pour supporter mes élucubrations de biologiste et mes comportements
parfois en marge…Tu m’as fait confiance, même si tu as dû te poser bon nombre de questions. Tu as su me
recadrer quand il le fallait, et ce fut pour moi une expérience très positive qui m’a permis de me frotter à la
modélisation dynamique du développement des plantes. J’espère que dans l’avenir nous continuerons à
échanger et à travailler ensemble.

Jérémie, beaucoup de temps a passé depuis que j’ai tapé à ta porte un matin d’Octobre 2005 pour t’exposer mon
souhait de faire une thèse alors que peu de choses ne m’y destinaient… Des discussions toujours éclairées, et tes
conseils précieux m’ont fait aimer l’écophysiologie et la modélisation. Tu as toujours essayé de m’inculquer ta
vision de la science, de la rigueur scientifique et de la patience. Ce que je te dois pour ce travail et pour mon
projet professionnel n’est pas mesurable. J’espère que grâce à ces quelques lignes j’aurais pu dire toute la
reconnaissance et tout le respect que je te dois.

Angélique, tout au long de ce travail et ce, jusqu’à la rédaction finale du manuscrit, j’ai toujours pu compter sur
ta disponibilité et ta précision dans tes remarques. Heureusement que tu as été là au jour le jour, pour améliorer
ce travail et le rendre, je l’espère, lisible.

Je tiens à remercier MM. Michael Dingkuhn et François Houllier de m’avoir fait l’honneur d’accepter d’être
rapporteurs de ce travail. Merci également à MM. Eric Garnier et Philippe Vivin d’avoir dégagé un peu de leur
temps pour évaluer mon travail et en discuter.

Dans cette thèse plus de 50 000 organes ont été mesurés, découpés et pesés ; et plus de 100 000 feuilles ont été
comptées. Ce travail n’aurait pas été possible sans l’aide de tous ceux qui ont participé à ces expérimentations.
Il y a ceux qui ne sont restés que quelques mois, mais qui ont tant fait dans les périodes chargées estivales pour
que les expérimentations se poursuivent. J’espère tous les citer : Marina Ferrand, Dorothée Rablat, Baptiste
tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010Astoury, Emire Tuce Sumer, David Merabet, Adeline Séguard et Audrey Dardou. Avec tous ce fut un plaisir de
travailler. Merci aussi aux deux irréductibles qui sont restés pendant toute la durée de ma thèse, Jonathan
Mineau et Hubert Mallié. Jonathan tu as su être là quand il fallait, et tu n’as jamais craqué devant l’ingratitude
du travail. Hubert, tu as suivi toutes ces expérimentations, été comme hiver, sous les vitres de la serre, ou sous le
soleil accablant des étés montpelliérains. Ta bonne humeur et tes discussions enflammées sur la vie publique de
certains de nos dirigeants, mais aussi, ta capacité à tout noter pendant des heures, m’ont permis de tenir des
journées entières à compter des feuilles. Merci encore !

Je tiens également à remercier Véronique Letort qui a essayé de m’apprendre toutes les finesses du modèle
GreenLab. Merci aussi à toi Cédric, avec qui j’ai eu des moments d’échange fructueux autour de la croissance
de la vigne. Sans toi ce « fameux » simulateur, dont on a tant parlé avant qu’il ne voit le jour, n’aurait pas
existé. Je tiens aussi à rendre hommage à Masahiro Kawatha, qui m’a permis de vivre les joies de
l’encadrement. Tu auras été un travailleur acharné et d’une méticulosité rare. J’espère qu’un jour on pourra
partager de nouveau quelques sushi, et pourquoi pas à Nagano !

Il y a encore beaucoup de monde à remercier et j’espère ne pas en oublier… Eric Lebon, pour ta gentillesse et
ton expertise sans faille du développement de la vigne ; Gaétan Louarn pour ton travail précédent qui m’a
permis de démarrer le mien sur des bases solides ; Christian Pons, pour ta disponibilité dès qu’il s’agit de
s’occuper du vignoble ; Bernard Poinso pour m’avoir sauvé deux expérimentations durant cet été 2008 où les
effets conjoints des désherbants, des attaques répétées d’oidium et de mildiou avaient fortement mis en danger
mes expérimentations ; Benoît Suard, qui après que je lui ai demandé quarante fois de changer les consignes de
la serre en une semaine m’a finalement expliqué comment ça fonctionnait. J’adresserai aussi des remerciements
spéciaux aux étudiants de première année de SupAgro, pour m’avoir permis de changer d’air en donnant des
TP et pour avoir collecté sans protester (la plupart du temps…) des données très utiles pour ma thèse.

Des remerciements spéciaux doivent bien sûr être adressés à mes deux compagnons de bureau Sébastien et
Cathy. Même quand les temps étaient assez durs, je savais qu’on pourrait toujours passer un bon moment
ensemble. Malgré tout, je pense que mes allers - retours à Paris vous ont permis de souffler un petit peu.

Enfin, merci à mes parents et à mon frère qui m’ont toujours aidé et soutenu pour concrétiser ce travail. Une
grande partie de ce travail est le résultat de votre investissement incessant au cours des longues années de mes
études supérieures. Je finirai enfin par toi Marie. Tu as toujours su canaliser mon angoisse incessante, et me
faire positiver quand les jours étaient longs et durs. Tu as été un fin limier de recherche d’erreurs et de fautes
dans mon manuscrit. J’ai toujours su que je pouvais compter sur toi.








tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010Liste des abréviations



ANOVA : analyse de la variance

RMSE : root mean square error

r² : coefficient de corrélation

Cve : coefficient de variation de l’erreur


PAR : photosynthetic active radiation

TT : thermal time

VPD : vapor presure deficit

FTSW : fraction of transpirable soil water

RUE : radiation use efficiency


SLA : specific leaf area

SLW : specific leaf weight


P0/P1/P2 : classification des phytomères du rameau de vigne


Q/D : rapport offre/demande dans le modèle GreenLab





















tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010Certaines parties du document sont rédigées en anglais. Ces parties correspondent à des articles
scientifiques déjà publiés ou à des projets d’article. Dans chacun des chapitre de ce document un
article a été intégré.

-Chapitre I : Pallas B, Louarn G, Christophe A, Lebon E, Lecoeur J. 2008. Influence of intra-shoot
trophic competition on shoot development of two grapevine cultivars (Vitis vinifera L.). Physiologia
Plantarum 134: 49-63.

-Chapitre II : Pallas B, Christophe A, Cournède PH, Lecoeur J. 2009. Using a mathematical model
to evaluate the trophic and non-trophic determinants of axis development in grapevine. Functional
Plant Biology 36: 156-170.

-Chapitre III : Pallas B, Loi C, Christophe A, Cournède PH, Lecoeur J. 2009. A stochatic growth
model of grapevine development with full retroaction between environment, trophic competition and
plant development. International symposium on plant growth modeling, simulation, visualization and
their application (PMA09) sous presse.

-Chapitre IV : Pallas B, Christophe A, Lecoeur J. Are the common assimilate pool and the trophic
relationships adequate to deal with the observed plasticity of grapevine development ? soumis à
Annals of Botany.

Dans chacune de ces parties rédigées sous forme d’article scientifique la numérotation des figures et
des tableaux est indépendante du reste du manuscrit et propre à chaque article.
tel-00448756, version 2 - 4 Feb 2010

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