La théorie des catastrophes peut jeter un nouvel éclairage sur la façon dont la sécheresse affecte les plantes

Parfois, les choses vont bien, jusqu’à ce qu’elles ne le soient pas. Un bateau chavire. Un pont s’effondre. La bourse prend une tournure extrême.

Ce sont des exemples de « théorie des catastrophes », un outil mathématique qui peut être utilisé pour décrire un ensemble de variables qui se combinent, à un moment précis, pour changer complètement un système. C’est un cadre qui peut être appliqué à une variété de scénarios, et maintenant un scientifique de l’Université de Géorgie veut l’utiliser pour mieux comprendre comment les plantes utilisent l’eau et réagissent à la sécheresse.

Dans une nouvelle revue invitée publiée dans la revue Plante, Cellule & EnvironnementDan Johnson, professeur agrégé à l’UGA Warnell School of Forestry and Natural Resources, explique qu’au lieu de considérer les réponses des plantes au stress hydrique comme un long et lent déclin de la santé des plantes, les chercheurs devraient plutôt appliquer la théorie des catastrophes pour creuser plus profondément dans les forces en jeu.

« Je voulais l’amener dans une direction quantitative et fournir quelque chose de nouveau – un nouveau cadre pour l’hydraulique de l’usine », a déclaré Johnson. « Nous devrions changer notre façon de voir ce domaine, qui remonte à l’époque de (Léonard) da Vinci. »

De nos jours, lorsque les scientifiques étudient le mouvement de l’eau dans les plantes, ils se concentrent principalement sur la structure et la fonction. Sous l’écorce des arbres se trouve le xylème, communément appelé bois, qui est un système de tubes qui déplacent l’eau des racines aux branches. La recherche se concentre souvent sur le fonctionnement du xylème ou sur la manière dont la sécheresse affecte sa fonction.

Mais au lieu de se concentrer sur les défaillances structurelles, a déclaré Johnson, que se passerait-il si les chercheurs enquêtaient sur le point qui a causé la mort de la plante ? « Alors, j’ai pensé que nous devions trouver des points de basculement – des points de stress où nous savons qu’une plante va mourir », a-t-il ajouté. « Même chose pour un écosystème : à quel moment une forêt devient-elle une prairie ? »

Johnson s’est associé à deux collègues de l’Université Duke, Gabriel Katul et Jean-Christophe Domec, pour développer un moyen d’utiliser la théorie mathématique pour analyser les points de basculement dans les plantes. Katul est professeur émérite Theodore S. Coile d’hydrologie et de micrométéorologie et Domec est professeur invité à la Duke’s Nicholas School of the Environment et professeur de foresterie durable à Bordeaux Sciences Agro en France.

Ensemble, ils ont créé un cadre qui leur permettrait de suivre les changements dans un système – qu’il s’agisse d’un arbre ou d’un écosystème entier – et de voir les effets qu’ils ont provoqués sur l’organisme plus large. Par exemple, comment des variables telles que la respiration ou la croissance changent-elles lorsque la température change ?

Grâce à des années d’expériences anecdotiques, Johnson a eu l’idée que ces points de basculement existaient. Mais le cadre mathématique a fourni la preuve que ce qu’il voyait à travers des années de recherche n’était pas seulement une série de coïncidences.

L’article est présenté sur le site Web de la revue et sera publié plus tard cette année. Johnson a déclaré qu’il espère que cela deviendra un point de départ pour de nouveaux travaux dans le domaine de l’hydraulique des usines.

L’équipe s’est réunie via des réunions Zoom pendant des mois pour régler les détails.

« C’était une tonne de travail, mais c’était aussi l’un des moments les plus amusants que j’ai eu à écrire un article parce que nous apprenions les uns des autres », a déclaré Johnson. « Nous avons commencé avec des bulles d’air dans le xylème – cette échelle de taille nanométrique – et avons demandé : ‘Qu’est-ce qui contrôle la façon dont une bulle d’air se dilate et bloque le réseau vasculaire ?’ Et puis nous l’avons mis à l’échelle jusqu’aux niveaux de l’arbre entier et de l’écosystème, puis à toutes les différentes échelles intermédiaires. C’était une quantité de travail épique.