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PROJET CIBLE CHANGEMENTS CLIMATIQUES ET AGRICULTURE "CLIMAGRI"

SOUS-PROJET 3
Sécheresse, désertification et gestion des ressources en eau

THÉMATIQUE 3.5
Impact du changement climatique sur les systèmes agricoles: recherche des indicateurs de tolérance à la sécheresse

RESPONSABLE DE LA RECHERCHE
M. Enrico Brugnoli
Institut pour l’agro-sylviculture (IAS-CNR)


FINALITÉ DE LA RECHERCHE
Le but principal de la recherche est l’étude et la détection des indicateurs de tolérance aux stress environnementales, en particulier à la sécheresse et aux températures élevées. Il s’agit de formuler des modèles de prévision de productivité agricole dans des milieux caractérisés par une disponibilité différente en eau ou par un déficit de saturation de vapeur. Pour cela, on vérifiera les relations existantes entre les compositions isotopiques 13C/12C et 18O/16O, l’efficacité de l’utilisation de l’eau, la conductance des cultures et la productivité afin d’obtenir une calibration initiale à utiliser pour les études successives.

L’influence de la température et la disponibilité en eau sur les différentes phases phénologiques et sur leur durée et la vérification des relations existantes entre l’intensité du stress hydrique, l’activité photosynthétique, la longueur et le poids du système épigé, l’indice du couvert foliaire (LAI) et la vitesse relative de croissance (RGR) (Gratani, 1996), permettront de formuler des hypothèses sur l’utilisation des ressources, sur la capacité productive et sur la résistance des espèces naturelles et cultivées. Ces relations seront vérifiées sur des espèces spontanées et cultivées, sur des territoires différents par conditions climatiques et par degré d’aridité et dans des conditions spécifiques contrôlées (stress hydrique élevé, température élevée, CO2 élevé). Les données de compositions isotopiques obtenues seront mises en relation avec les gradients d’aridité et de productivité agricole d’espèces différentes dans les mêmes zones et entre zones différentes.

Cette approche permettra de caractériser certains scénarios à différent degré d’aridité et vulnérabilité, et en même temps, elle fournira un indice pour la classification des espèces et des cultivars en relation à la tolérance et à la sécheresse. On considère pouvoir détecter des indices fonctionnels et structurels utiles pour le monitorage. On effectuera aussi une analyse de série des données phénologiques, structurelles et physiologiques relatives aux espèces cultivées (comme les céréales et les espèces naturelles tels certains semper virent méditerranéens, que le Département de biologie végétale possède déjà) et de données météorologiques disponibles à l’UCEA.


BUT DE LA RECHERCHE
Les données obtenues au cours des trois ans du projet seront utilisées pour formuler des modèles de prévision de la productivité et pour décrire certains scénarios de sécheresse et/ou aridité. En outre, on mettra au point des indices synthétiques pour décrire la tolérance à la sécheresse d’espèce et génotypes de plantes cultivées, à travers la discrimination isotopique, la vitesse de photosynthèse et l’analyse phénologique. Les résultats de la présente proposition pourront être très importants du point de vue technico-scientifique car ils permettront de prévoir les variations de productivité des principales espèces agricoles et des milieux caractéristiques.

L’utilisation d’isotopes stables comme indicateurs de tolérance/résistance à la sécheresse permettront de définir les méthodologies pour la classification des espèces et des génotypes selon l’efficacité de l’utilisation des eaux, la productivité et l’efficacité photosynthétique dans des milieux sélectionnés selon un gradient naturel d’aridité. En outre, l’analyse quantitative des stades phénologiques en relation à des conditions différentes de stress hydrologique et de température représente une méthode efficace pour évaluer la capacité productive des espèces et leur adaptabilité. Il sera très important étudier dans ces changements les relations entre la phénologie et 13C/12C comme elles ont été vérifiées jusqu’à maintenant dans des conditions sous contrôle (Brugnoli et Farquhar 1999).

La vitesse de photosynthèse, qui varie au cours des différentes phénophases et en réponse aux facteurs d’agression, peut être utilisée comme indice de production de biomasse. Par exemple, il sera possible d’évaluer les variations de productivité des espèces importantes (ex. céréales) dans certains scénarios caractéristiques en identifiant les espèces et les cultivars à risque et leur capacité d’adaptation. On prévoit que les espèces caractérisées par une plus grande adaptabilité pourront demeurer dans les territoires plus arides même en considération du changement climatique prévu. Enfin, en dernière analyse, les données obtenues par la proposition de recherche suivante pourront être utilisées pour identifier les espèces et les génotypes capables de s’adapter à vivre et produire dans des milieux caractérisés par des conditions climatiques opposées. Ces milieux seront valorisés et leur utilisation sera plus efficace, de nombreuses retombées économico/sociales pourront s’attendre sur les territoires étudiés. En outre, on formulera des modèles de prévision sur la désertification et sur la vulnérabilité des espèces et des milieux. .


DESCRIPTION DE LA RECHERCHE ARTICULÉE SUR TROIS ANS

PREMIÈRE ANNÉE
Au cours de la première année du projet, seront focalisés les sites expérimentaux pour l’étude à travers la détermination des compositions isotopiques 13C/12C et 18O/16O des espèces sélectionnées (cultivées et naturelles) et du CO2 atmosphérique sélectionné annuellement dans ces milieux afin d’obtenir la calibration initiale annoncée. L’analyse phénologique, l’analyse de la photosynthèse nette, du potentiel hydrologique et de l’efficacité de la transpiration, la détermination du LAI et du RGR, des espèces spontanées et cultivées sur le champ, seront mesurées pour mettre en évidence les relations qui existent entre les paramètres climatiques et les phases phénologiques et évaluer le poids des différents paramètres en déterminant la durée des phénophases.


DEUXIÈME ANNÉE
Au cours de la deuxième année, on obtiendra des résultats qui concernent les compositions isotopiques des différents organes et des produits photosynthétiques (ex. saccharose et amidon) dans les céréales et dans les espèces méditerranéennes des territoires expérimentaux à l’étude. En outre, on obtiendra des données sur la réponse phénologique au stress hydrique, au rayonnement élevé et à la température élevée, des facteurs qui causent des dommages à l’appareil photosynthétique et donc une réduction de la productivité.


TROISIÈME ANNÉE
Au cours de la troisième année on complètera le modèle qui doit certifier l’importance des facteurs (température, disponibilité d’eau, rayonnement) fortement impliqués dans le processus de croissance, de l’ampleur des phases phénologiques et de l’activité photosynthétique des espèces considérées.


ASPECTS INNOVATEURS
Les informations obtenues par les données de composition isotopique du carbone et de l’oxygène sur différents organes et métabolites photosynthétiques, associées aux données phénologiques, de photosynthèse, du potentiel hydrique, d’efficacité de la transpiration, de LAI et RGR, permettront d’identifier des indicateurs d’aridité et de tolérance à la sécheresse reproductibles et comparables entre les différents milieux à l’étude.
Ces indicateurs seront utilisés pour décrire les différents scénarios en fonction des changements climatiques et créer les paramètres suivant leur vulnérabilité en relation à la sécheresse et désertification. En particulier, l’utilisation des isotopes stables, représente une méthodologie capable de fournir des informations sur l’efficacité photosynthétique et sur les interactions plante-environnement, intégrées sur des échelles temporelles différentes. Cette technique d’analyse est hautement reproductible et présente des temps d’analyse et des coûts relativement limités, par rapport à d’autres techniques d’enquête. Elle permet d’obtenir un indicateur de tolérance à la sécheresse facile à comparer avec les milieux à l’étude.

A travers l’analyse de ces paramètres, on retient: de pouvoir arriver à la classification des indices structuraux et fonctionnels des espèces considérées qui peuvent être utilisés pour le monitorage du stress hydrologique; de réaliser un modèle de réponse des espèces analysées soumises à des agressions, en évaluant les variations de l’activité foliaire dans des conditions différentes de température et de disponibilité en eau; de définir leur capacité d’adaptation, résultat de l’interaction entre la variabilité génétique et la tolérance individuelle. Les méthodologies utilisées et les thématiques à l’étude sont innovatrices puisqu’elles n’ont jamais été utilisées dans la prévision des changements climatiques au système agricole et, en particulier, dans le milieu italien. Ces analyses permettront d’obtenir des résultats importants dans la prévision des futurs scénarios dans le secteur agricole et des influences des changements climatiques.


RETOMBÉES TECHNICO-SCIENTIFIQUES/ÉCONOMICO-SOCIALES
Les résultats de la proposition actuelle de recherche pourront être très importants du point de vue technico-scientifique car ils permettront de prévoir les variations de productivité pour les espèces agricoles principales et pour les milieux caractéristiques.

L’utilisation des isotopes stables comme indicateurs de tolérance/résistance à la sécheresse permettront de définir les méthodologies de classification des espèces et des génotypes selon l’efficacité pour l’utilisation hydrologique et productivité et efficacité photosynthétique dans des milieux sélectionnés avec un gradient naturel d’aridité. En outre, l’analyse quantitative des stades phénologiques en relation à des conditions différentes de stress hydrique et température, représente une méthode valable d’évaluation de la capacité productive des espèces et de leur adaptabilité. Il sera très important d’étudier dans ces milieux les relations entre phénologie et 13C/12C comme on les a vérifiées jusqu’à présent dans des conditions contrôlées. (Brugnoli et Farquhar 1999).

La vitesse de photosynthèse, qui varie au cours des différentes phénophases et en réponse à des facteurs de stress, peut être utilisée comme indice de production de biomasse. On pourra évaluer les variations de productivité pour des espèces importantes (ex. céréales) dans certains scénarios caractéristiques en identifiant les espèces et les cultivars à risque et estimer leur capacité d’adaptation. On prévoit que les espèces caractérisées par une plus forte adaptabilité pourront rester dans les zones les plus arides tout en tenant compte du changement climatique prévu. Enfin, en dernière analyse les données obtenues par la proposition de la recherche pourront être utilisées pour identifier les espèces et les génotypes capables de s’adapter à vivre et de produire dans des milieux caractérisés par des conditions climatiques adverses, en valorisant ces milieux et en permettant leur utilisation efficace, avec de nombreuses retombées économico/sociales sur les territoires étudiés. En outre, on formulera des modèles de prévision sur la désertification et sur la vulnérabilité des espèces et milieux.


BIBLIOGRAPHIE ESSENTIELLE
  • Brugnoli E., Cona A., Lauteri M. 1994. Xanthophyll cycle components and capacity for non-raditive energy dissipation in sun and shade leaves of Ligustrum ovalifolium exposed to conditions limiting photosynthesis. Photosynthesis Research, 41:451-463.
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  • Brugnoli E., Scartazza A., Lauteri M., Monteverdi M.C. and Maguas C. 1998. Carbon isotope discrimination in structural and non-structural carbohydrates in relation to productivity and adaptation to unfavorable conditions. In: Griffiths H (ed.) Stable Isotopes: Integration of biological, ecological and geochemical processes. BIOS, Oxford, pp. 133-146.
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  • Brugnoli E. and Farquhar G.D. 1999. Photosynthetic fractionation of carbon isotopes. In: Govindjee (Editor-in-Chief) Advances in Photosynthesis, Leegood RC, Sharkey TD and von Caemmerer S (eds.) Photosynthesis: physiology and metabolism. Kluwer Academic Publishers, in press.
  • Augusti A., Lauteri M., Spaccino L., Brugnoli E. 1999. Short- and long-term responses of carbon isotope discrimination and photosynthetic energy dissipation to elevated CO2 concentration. In: Raschi A., Miglietta F. (eds.) CO2 springs as a model to study the impact of elevated CO2 on plants. in press.


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