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Des étudiants en apesanteur pour étudier la croissance des plantes

Des mesures des échanges gazeux et de température foliaire de plantes en condition d’apesanteur permettront de simuler leur fonctionnement et d’estimer leur croissance dans la perspective des futurs vols spatiaux de longue durée. Un Post-Doc de l’UMR PIAF (UMR INRA-UCA) et de l’Institut Pascal est embarqué avec 3 autres doctorantes dans cette expérience unique réalisée lors de vols paraboliques dans un avion Airbus A310 zéro-G.

. © Inra, A Vernay
Mis à jour le 02/05/2018
Publié le 23/04/2018

Des expérimentations ont montré qu’avec une ventilation adéquate les échanges gazeux ont lieu normalement en apesanteur et les plantes peuvent alors fonctionner selon une photosynthèse proche de celle observée sous gravité normale. Cependant, dans le cas de production de plantes à grande échelle en gravité réduite, il sera pratiquement impossible de maintenir un flux d’air homogène dans tout l’espace de culture. Ainsi localement il y aura des zones de faible convection et avec des échanges gazeux moins efficaces, induisant une hausse de la température des feuilles. Quantifier les échanges gazeux qui se produisent en apesanteur est donc important notamment pour développer un modèle mécanistique précis de croissance des plantes en environnement de gravité réduite.

Des vols en micropesanteur pour effectuer les mesures

La campagne de vol paraboliques du CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) à l’aide d’avions Airbus A310 zéro-G était l’option la plus appropriée pour l’expérience des jeunes doctorants. Après une première campagne fin 2017, destinée à calibrer le modèle mis au point, la deuxième campagne de mesure s’effectue ainsi du 16 au 27 avril à Bordeaux. Un projet porté par l'axe "Génie des procédés, Énergétique et Biosystèmes" de l’Institut  Pascal dans le cadre du projet MELiSSA (ESA, European Space Agency), en partenariat avec l’UMR PIAF et l’université de Breme (Allemagne).

Le principal résultat attendu de cette deuxième campagne de vol est l’acquisition d’un nouveau jeu de données concernant les températures foliaires à 0g, 1g et 2g, pour différentes valeurs de flux d’air, permettant de caler le modèle physique des transferts gazeux mis au point par l’une des doctorantes. D’autres mesures, sur terre, à l’échelle de la plante, permettent de compléter la simulation : les échanges gazeux (assimilation du CO2, photosynthèse) sont quantifiés grâce à un analyseur de gaz infra-rouge (IRGA), et en parallèle des mesures de température de surface des feuilles sont effectuées via des caméras thermiques. Le lien entre les mesures thermiques et d’échange gazeux permet d’établir une relation pour déduire les échanges gazeux mesurés indirectement via l’estimation de la température de surface foliaire dans l’avion (l’IRGA n’est pas embarqué, uniquement les caméras thermiques Android).

. © Inra, A Vernay
© Inra, A Vernay
 

Une expérience basée sur l’utilisation de téléphones Android

Une faible ventilation ou une absence de ventilation dans le module induit une stagnation de la couche limite d’air autour des feuilles. Ce phénomène diminue les transferts thermiques et gazeux à la surface des feuilles. Cette déficience d’échanges gazeux optimaux est directement reliée à l’activité photosynthétique de la plante (absorption de CO2 et rejet d’O2) mais aussi à la transpiration végétale qui régule la température foliaire. L’ensemble des réactions métaboliques de la plante peuvent en être affectées, pénalisant sa croissance.

Le système comprend une enceinte de culture des plantes, un ordinateur d’acquisition, deux enregistreurs de données et 4 téléphones Android. 4 Plantes sont positionnées dans l’enceinte, avec les différents capteurs. La plante modèle utilisée est l’épinard, en raison de sa facilité de croissance, de la taille et de la forme des feuilles, de l’efficacité de la photosynthèse et de sa comestibilité.

La méthodologie consiste à utiliser des téléphones Android adaptés et reliés à une caméra thermique miniaturisée, positionnée au-dessus des plants d’épinard : cette technologie combine légèreté, petite taille, facilité d’utilisation et coût modeste, pour collecter les images infrarouge de la surface foliaire.

  . © Inra, A Vernay
© Inra, A Vernay

 

Destination Mars pour les futurs space farmers !

On imagine à terme des systèmes plus complexes associant des communautés d’espèces végétales et environnements avec microorganismes aux rôles divers. Ce sujet d’étude intéresse particulièrement nos doctorants, que ce soit en termes d’écologie-physiologie ou de la conception et la mise au point de de systèmes autonomes de support de vie. En effet, dans l’optique des futurs vols spatiaux de longue durée, ces systèmes de recyclage des déchets, d’appoint pour la gestion des gaz respiratoires (CO2 et O2) et de fourniture de biomasse d’autre part devraient se révéler des appoints appréciables, voire indispensables.

 

 

Contact : antoine.vernay@uca.fr