Mechanical stress and tissue topology : numerical reconstructions of multilayered plant tissues for morphomechanical simulations

La morphogenèse, processus par lequel les organismes acquièrent leur forme et leur taille, constitue une question centrale de la biologie du développement. Les contraintes mécaniques y jouent un rôle déterminant. Chez les plantes, ces forces, supportées par les parois cellulaires, émergent à la fois de la géométrie tissulaire et de la croissance cellulaire. La topologie du tissu, déterminée lors des divisions cellulaires, module la répartition des contraintes : les différences de propriétés mécaniques entre cellules et couches adjacentes génèrent des interactions mécaniques dont la résolution conditionne l’émergence de formes complexes. Dans les tissus internes des organes en développement, ces contraintes ne peuvent être quantifiées directement par voie expérimentale. La simulation mécanique offre une alternative prometteuse, dont la pertinence repose toutefois sur la précision et la robustesse de la représentation numérique sous-jacente. Au cours de cette thèse, des protocoles expérimentaux et des méthodes numériques ont été développés afin de générer des reconstructions tissulaires de haute qualité, compatibles avec la méthode des éléments finis (FEM), tout en préservant la géométrie cellulaire et la topologie des tissus. Cette approche interdisciplinaire mobilise les avancées récentes en transparisation et en imagerie confocale, ainsi que de nouveaux développements en traitement d’image, génération de maillages et simulations mécaniques. Elle a été appliquée à deux systèmes complémentaires chez Arabidopsis thaliana : le cortex racinaire, aux échelles cellulaire et subcellulaire, et l’enveloppe de la graine, aux échelles tissulaire et de l'organe. Afin d’évaluer le rôle de la topologie locale au sein des cellules corticales racinaires, un protocole d’analyse d’image a été mis en place. Il a permis de caractériser la formation des jonctions cellulaires et d’obtenir des simulations FEM fiables à l'échelle subcellulaire. Ces simulations révèlent la distribution locale des contraintes à proximité des jonctions, distribution qui pourrait être déterminante pour éviter la formation de configurations topologiquement instables. La représentation des tissus végétaux est approfondie dans une seconde partie à travers la reconstruction numérique tridimensionnelle des couches de l’enveloppe de la graine à une résolution cellulaire. Le concept de complexes simpliciaux a été exploré afin d'abstraire la topologie d'organes multicouches, reflétant la discrétisation naturelle de certains tissus végétaux. Les modèles générés mettent en évidence des différences géométriques entre couches cellulaires de l'enveloppe et constituent une base adaptée à la résolution de problèmes biomécaniques.