En tant que chercheur dans le domaine des plantes, vous devez évaluer efficacement les performances des cultures, que ce soit pour sélectionner la meilleure variété, essayer de comprendre la tolérance au stress abiotique, étudier la résistance aux maladies ou déterminer la résilience au climat. Mais si vous ne mesurez que les données météorologiques, vous risquez de passer à côté d'indicateurs de performance clés. Dans cet article et dans la vidéo ci-dessous, nous abordons un indicateur important mais souvent négligé : le potentiel hydrique du sol. Le potentiel hydrique est sous-utilisé par les chercheurs dans les études sur le stress abiotique, alors qu'il s'agit du seul moyen d'évaluer les véritables conditions de sécheresse pour déterminer la tolérance des plantes à la sécheresse. Découvrez ce qu'est le potentiel hydrique et comment il peut améliorer la qualité de votre étude sur les plantes.
Si vous avez étudié des populations végétales, vous connaissez probablement l'équation simplifiée de la figure 1 qui représente la façon dont nous envisageons l'impact de la génétique et de l'environnement sur les phénotypes observables.
Cette équation décompose le phénotype observé (hauteur de la plante, rendement, couleur du grain, etc.) en effets du génotype (génétique sous-jacente de la plante) et en effets de l'environnement (précipitations, température moyenne journalière, etc.) Cette équation montre que la qualité de votre étude dépend directement du type de données environnementales que vous collectez. Par conséquent, si vous ne mesurez pas le bon type de données, la précision de l'ensemble de votre étude peut être compromise.
Les études sur la sécheresse sont notoirement difficiles à reproduire, à quantifier ou même à concevoir. En effet, le moment, l'intensité et la durée de la sécheresse ne sont pas prévisibles et il est difficile d'établir des comparaisons entre des sites présentant des types de sol différents. Nous savons également que l'étude des précipitations seules, ou même de la teneur en eau volumétrique, ne permet pas de décrire correctement les conditions de sécheresse qui se produisent dans le sol. Le potentiel hydrique du sol est un outil essentiel pour quantifier le stress dû à la sécheresse dans la recherche sur les plantes, car il vous permet d'effectuer des évaluations quantitatives de la sécheresse et vous offre un moyen facile de comparer ces résultats entre les sites de terrain et dans le temps. Voyons pourquoi.
Lorsque nous pensons au sol, c'est généralement dans le contexte de la croissance des plantes. Nous savons que le sol a un impact sur la croissance des plantes en raison de la disponibilité des nutriments, de la pression potentielle des maladies, de la croissance des racines et de la disponibilité de l'eau.
De nombreux chercheurs pensent que la disponibilité en eau des plantes peut être déterminée à l'aide d'un capteur d'humidité du sol traditionnel qui mesure la teneur en eau volumétrique.
Mais si vous essayez de caractériser le stress dû à la sécheresse, de comprendre l'efficacité de l'utilisation de l'eau par les cultures ou d'étudier la tolérance au stress abiotique chez les plantes à l'aide d'un capteur de teneur en eau, vous mesurez le mauvais paramètre. La teneur en eau vous indique uniquement la quantité d'eau présente dans le sol. Elle ne peut pas vous dire si cette eau est disponible pour les plantes. Regardez cette courte vidéo pour comprendre pourquoi c'est vrai.
L'un des problèmes liés à l'utilisation des données sur la teneur en eau volumétrique pour quantifier le stress abiotique est que vous devez connaître le type et la texture du sol pour interpoler les informations sur la disponibilité de l'eau dans le contexte de la plante. Cela rend les comparaisons difficiles si les types de sol sont différents d'un site à l'autre. Le potentiel hydrique du sol, en revanche, évalue directement la disponibilité de l'eau. Cela signifie qu'il tient déjà compte de la texture du sol. Lorsque vous mesurez le potentiel hydrique, vous disposez d'une mesure directement comparable d'un site à l'autre et dans le temps, sans qu'il soit nécessaire de procéder à une analyse supplémentaire ou à un étalonnage spécifique du sol.
L'autre problème lié à l'utilisation de la teneur en eau volumétrique pour indiquer un stress dû à la sécheresse est que la teneur en eau n'est qu'une quantité. Elle vous indique la quantité d'eau qui a été ajoutée au sol (ou qui en a été retirée). Mais elle ne peut pas vous dire dans quelle mesure cette eau est accessible à vos plantes ou quelle quantité d'énergie est nécessaire pour accéder à cette eau. Le potentiel hydrique, en revanche, vous renseigne sur l'énergie de l'eau dans le sol et vous indique si vos plantes sont à l'aise ou stressées en précisant la quantité d'eau du sol à laquelle elles ont accès. C'est pourquoi le potentiel hydrique est une mesure beaucoup plus informative que la teneur en eau lorsque vous voulez savoir si vos plantes sont confrontées à de véritables conditions de sécheresse. Découvrez comment cela fonctionne dans la vidéo ci-dessous.
Certaines personnes évitent de mesurer le potentiel hydrique du sol parce que sa définition est compliquée et difficile à comprendre. Mais il n'est pas nécessaire de comprendre le potentiel hydrique du sol pour l'utiliser efficacement. Vous pouvez considérer le potentiel hydrique comme une sorte de thermomètre à eau pour les plantes. Tout comme vous pouvez regarder le thermostat de votre maison et voir 22 C (72 F) et penser, "c'est confortable pour moi en tant qu'être humain", vous pouvez regarder les données sur le potentiel hydrique du sol et comprendre si la quantité d'eau dans le sol est confortable ou non pour vos plantes. La vidéo ci-dessous explique pourquoi.
La figure 4 illustre comment nous pouvons considérer le potentiel hydrique comme une sorte de "thermomètre de confort" pour les plantes. Notez que les valeurs kPa pour le potentiel hydrique sont toujours indiquées comme une valeur négative. L'une des façons d'appréhender le kPa est que plus la valeur est négative, plus le sol est sec. Une valeur de zéro se situe dans la plage de saturation totale, tandis qu'une valeur de -1000 kPa et moins commence à atteindre le point de flétrissement permanent.
En bas de la figure 4, vous pouvez voir que pendant la période végétative, le maïs préfère un sol de -50 kPa. Cependant, pendant la maturation, il préfère que le sol se situe entre -800 et -1200 kPa, ce qui est un peu plus sec.
Vers le haut de la figure 4, vous verrez que les pommes de terre préfèrent une fenêtre plus étroite d'environ -30 à -50 kPa.
Les deux graphiques suivants illustrent comment les données sur le potentiel hydrique peuvent vous donner une image plus précise du stress hydrique chez les plantes. La figure 5 présente des données sur la teneur en eau volumétrique du gazon.
Remarquez les pics d'irrigation ou de précipitations au fil du temps. Sans contexte sur le type de sol, il est difficile de tirer des conclusions sur la disponibilité de l'eau ou sur le confort du sol pour le gazon de ce champ.
Dans la figure 6, nous ajoutons des données sur le potentiel hydrique, ce qui permet de voir beaucoup plus facilement si les plantes se trouvent dans une plage optimale de disponibilité de l'eau.
Sur ce graphique, vous pouvez voir qu'au début de la saison, l'irrigation était excessive. Vers le mois de juillet, ils ont réduit la fréquence d'irrigation, ce qui a permis au sol de s'assécher et de se rapprocher de la plage optimale de -30 à -50 kPa.
À la fin du mois d'août et au début du mois de septembre, vous constatez qu'ils ont commencé à laisser passer trop de temps entre les arrosages, ce qui a entraîné un stress important dû à la sécheresse pour le gazon. La baisse de la teneur en eau autour du 13 septembre n'est pas très différente des baisses qui se produisent avant et après. Ce n'est qu'en consultant les données sur le potentiel hydrique que l'on remarque la chute spectaculaire de la plage optimale de kPa, qui pourrait pousser le gazon vers le point de flétrissement permanent. Pour plus d'informations sur la compréhension des données, regardez notre webinaire Comment interpréter les données d'humidité du sol.
Le potentiel hydrique, comme toute autre chose, a ses limites lorsqu'il est utilisé pour déterminer la tolérance à la sécheresse des plantes. Voici trois éléments à prendre en compte :
Lorsque vous effectuez des mesures de potentiel hydrique, devez-vous vous concentrer sur la quantité ou la qualité des données ? La réponse pourrait vous surprendre. Une étude récente a examiné ce compromis dans le contexte des données de phénotypage des plantes. L'étude a comparé la mesure manuelle des plantes sur le terrain - une méthode très précise mais qui demande beaucoup de travail - à l'extraction de la hauteur des plantes à partir de l'imagerie par drone, qui génère des données beaucoup plus nombreuses (mais moins précises). Les chercheurs ont découvert que les sacrifices en termes de précision sont compensés par une augmentation de la capacité de traitement. En d'autres termes, il est généralement préférable d'avoir plus de points de données que d'avoir moins de points de données plus précis (voir Lane, H.M. et S.C. Murray. 2021. Crop Science. High throughput can produce better decisions than high accuracy when phenotyping plant populations).
Ce concept de haut débit s'applique à la capture de la variabilité du site lors de la collecte de données sur le potentiel hydrique ou de tout autre type de données environnementales. Par exemple, dans la figure 8, remarquez la grande variabilité des mesures de conductivité électrique en vrac. Si vous ne disposiez que d'un seul ou de quelques points d'échantillonnage, vous tireriez des conclusions erronées en extrapolant sur l'ensemble du site.
Que vous essayiez de sélectionner la meilleure variété ou de mieux comprendre la résistance aux maladies ou au climat, votre capacité à atteindre vos objectifs de recherche dépend de votre capacité à collecter le bon type de données. En ajoutant des données sur le potentiel hydrique à vos données sur la teneur en eau et à vos données météorologiques, vous vous assurez que votre étude évalue avec précision si vos plantes subissent réellement un stress dû à la sécheresse. Pour en savoir plus sur la différence entre la teneur en eau et le potentiel hydrique, regardez notre webinaire Soil Moisture 101.
Lane, Holly M., et Seth C. Murray. "High Throughput can produce better decisions than high accuracy when phenotyping plant populations". Crop Science 61, no. 5 (2021) : 3301-3313. Lien vers l'article.
Découvrez pourquoi le Dr Andrew Green et ses conseillers, le Dr Gerard Kluitenberg et le Dr Allan Fritz, pensent que la surveillance du potentiel hydrique du sol est le seul moyen quantifiable d'imposer un traitement cohérent et reproductible dans les études sur le stress dû à la sécheresse.
Lisez l'étude de cas : "Le dépistage de la tolérance à la sécheresse
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Le potentiel hydrique est un meilleur indicateur de l'eau disponible dans la plante que la teneur en eau, mais dans la plupart des cas, il est utile de combiner les données des deux capteurs.
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