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Evaluer la vulnérabilité à la cavitation d’un arbre en mesurant le pourcentage de perte de conductance (PLC) : Cavitron

Principe de la mesure :

Le principe de la technique consiste à faire tourner un segment de xylème par son centre et à utiliser la force centrifuge pour générer à la fois des pressions négatives (P, MPa) dans l'échantillon et une différence de pression hydrostatique positive (ΔP, MPa) à travers l'échantillon. Si les extrémités de l'échantillon sont immergées dans l'eau, la différence de pression crée un débit volumique d'eau F (mmol s^-1) à travers l'échantillon permettant de déterminer k, la conductance hydraulique de l'échantillon comme : k = F/∆P

La dépendance de k par rapport à P est ensuite utilisée pour construire la courbe de vulnérabilité de l'échantillon. La différence de pression à travers l'échantillon est générée en plaçant les niveaux d'eau dans les réservoirs recevant chaque extrémité de l'échantillon à des distances différentes de l'axe de rotation (Fig. 1). ΔP est alors calculé comme : Δp = 0,5*ρ*ω ²[R²-(R-r)²]

où ρ est la densité de l'eau (1000 kg m^-3), ω la vitesse angulaire (rad s^-1), R la distance (en m) de l'axe de rotation au réservoir distal (en aval), et r la différence de niveau d'eau (en m) entre les deux réservoirs (comptée positivement). La pression minimale (la plus négative) du xylème au milieu de l'échantillon est donnée par : P = -0,25*ρ*ω ²[R²-(R-r)²]

Un trou dans le réservoir en aval a maintenu son niveau (et R) constant tout au long de l'expérience. Au fur et à mesure que l'eau traverse l'échantillon, le niveau dans le réservoir en amont diminue à un taux égal à δr /δt. F peut alors être déterminé comme : F = s*δr/δt

où s est la surface de la section transversale de l'eau dans le réservoir. Si l'extrémité de l'échantillon immergé dans le réservoir en amont a une section transversale constante, alors s est une constante.

Matériel :

Le cavitron est constitué d’une centrifugeuse Sorvall Rc (Figure 3) dont on a modifié le rotor pour pouvoir mettre une branche dans deux cuves d’eau. Il système d’ajout eau et une caméra complète le dispositif. Le système est relié à un ordinateur et piloté par celui-ci pour gérer la vitesse du rotor en fonction de la pression voulue et les images de la caméra sont récupérées par l’ordinateur pour calculer la conductance (en fonction du diamètre de la branche et de la vitesse de déplacement du ménisque).

La perte de conductance est calculée en fonction de la conductance maximale (ou conductance initiale). La courbe (Figure 4) est réalisée automatiquement à partir d'un fichier brut et d'un programme en python fait maison. Ce programme  permet également d'extraire la pression de sève quand la perte de conductance est de 50% (ψ₅₀).

A Clermont-Ferrand nous disposons de trois cavitrons, dont deux possèdent un rotor de 28 cm ce pour des branches de 26 cm d'espèces à longueur de vaisseaux moyennement longs ou petits et un cavitron de 40 cm pour des branches de 38 cm ayant des vaisseaux relativement plus longs que les précédentes espèces.

Figure 1 : Schéma du dispositif expérimental conçu pour la mesure en continu de la conductance hydraulique L'échantillon est centré sur l'axe d'une centrifugeuse dont les extrémités sont immergées de dans l'eau contenue dans deux réservoirs en plastique transparents. Le niveau d'eau maximum dans chaque réservoir est prédéterminé par la position d'un trou dans la paroi de chaque réservoir. L'eau peut être forcée à travers un tube pour remplir le réservoir en amont. Le trou dans le réservoir amont est situé de 1 à 2 cm plus près de l'axe de rotation, ce qui crée une différence de pression positive et un flux d'eau (F) du réservoir amont vers l'aval à travers l'échantillon. Le niveau d'eau (R) dans le réservoir aval est constant car l'eau est expulsée par le trou. Le niveau de l'eau dans le réservoir amont (R - r) diminue avec le temps proportionnellement à F. La valeur de r est déterminée optiquement pendant la centrifugation en mesurant la distance entre les ménisques air-eau dans les réservoirs.

Figure 2 : Photo du rotor du cavitron	Figure 3 : Photo du cavitron

Figure 4 : Courbe de vulnérabilité	Figure 5 : Comparaison de vulnérabilité de plusieurs espèces en fonction de leur environement