Phénotypage pour la sélection végétale et l'agriculture de précision
Un processus non invasif pour le suivi de la végétation agricole
Systèmes d'imagerie haute résolution pour une capture rapide et non destructive des plantes
Comment les technologies avancées de phénotypage transforment-elles les études génotype-phénotype et l’agriculture intelligente ?
L’exactitude et la validation des données de phénotypage sont essentielles pour la recherche végétale et l’amélioration des cultures. Traditionnellement, l'analyse phénotypique repose sur l'observation et la caractérisation manuelles de la végétation. Cependant, ces méthodes sont souvent subjectives, sujettes aux biais humains, chronophages et exigeantes en main-d’œuvre, ce qui entraîne des variations dans les résultats et une difficulté d’application à grande échelle.
Les contraintes liées à la collecte de données subjectives limitent la reproductibilité des études et compliquent le suivi des changements dynamiques des caractéristiques des plantes. De plus, l’échantillonnage des feuilles ou des racines implique la destruction des échantillons, empêchant une surveillance continue du développement des plantes. Le phénotypage des caractéristiques complexes telles que les processus physiologiques ou les traits génétiques est difficile à réaliser avec précision en utilisant des approches conventionnelles. Il est donc possible que l’ensemble des caractéristiques végétales pertinentes pour une étude donnée ne soit pas entièrement capturé.
Pour pallier ces limites, un intérêt croissant s’est développé autour de nouvelles technologies de phénotypage avancées, comme les plateformes de phénotypage à haut débit, les systèmes de surveillance par capteurs, l’imagerie haute résolution, la robotique et l’apprentissage automatique. Ces innovations permettent de surmonter les limites des méthodes traditionnelles en fournissant des données phénotypiques plus objectives, précises et évolutives, favorisant ainsi l'amélioration des cultures, la gestion agricole et les recherches scientifiques.
Quel est l’impact des techniques de phénotypage sur l’agriculture de précision ?
Le phénotypage avancé est particulièrement utile pour la sélection variétale, les études génétiques et la recherche végétale, où il est nécessaire d’analyser un grand nombre d’individus sur différentes caractéristiques. Il permet aux chercheurs de capturer des données détaillées sur un grand nombre de plantes en un temps relativement court, facilitant l’analyse des variations phénotypiques, des associations génétiques et des interactions avec l’environnement.
Dans le phénotypage de terrain, l’un des principaux défis est de quantifier avec précision et cohérence divers traits phénotypiques à grande échelle. L’analyse de paramètres tels que la morphologie, la couleur, la biomasse, la dynamique de croissance, les réponses physiologiques au stress et les facteurs de rendement fournit des indicateurs clés pour l’agriculture de précision.
Pointez la cible, définissez les paramètres de mesure, enregistrez et visualisez.
L’intégration de la télédétection et des données de phénotypage est assurée par la technologie d’imagerie hyperspectrale (HSI), qui capture des paramètres de manière précise et en temps réel. Lors du choix d’un système HSI, il est essentiel de sélectionner la plage de longueurs d’onde adaptée en fonction des caractéristiques des plantes. Les propriétés physiques, chimiques et biologiques d’une plante sont influencées par la manière dont la lumière est réfléchie, absorbée ou transmise :
- Lumière visible (VIS) – 400-700 nm : Informations sur les pigments foliaires, comme la chlorophylle et les caroténoïdes.
- Proche infrarouge (NIR) – 700-1 000 nm : Détection des modifications structurelles des cellules végétales, permettant d’évaluer les signes de stress des plantes.
- Infrarouge à ondes courtes (SWIR) – 1 000-2 500 nm : Analyse de la teneur en eau et en protéines des plantes.
Les technologies avancées de phénotypage doivent relever des défis liés aux coûts, aux complexités techniques, à la standardisation des protocoles et à la nécessité d’une expertise spécialisée. C’est ici que l’imagerie hyperspectrale (HSI) devient une solution révolutionnaire pour favoriser l’adoption et l’amélioration du phénotypage avancé dans la recherche végétale et les pratiques agricoles.
Avantages
- Identifier les caractéristiques clés pour accélérer les programmes de sélection et l'amélioration de la production avec de nouvelles variétés ou hybrides offrant un rendement accru, une résistance aux maladies, une tolérance aux stress environnementaux et d'autres attributs souhaitables.
- Comprendre les mécanismes génétiques sous-jacents à la constitution complexe des plantes afin de quantifier l'analyse des caractères et d'étudier les associations génotype-phénotype.
- Evaluer l'impact des facteurs environnementaux sur le développement et l’adaptation des plantes pour améliorer la productivité, la durabilité et la sécurité alimentaire.
- Développer des stratégies de gestion des risques, y compris la sélection de variétés résistantes ou la mise en place de mesures de contrôle ciblées.
- Optimiser l'utilisation des ressources en agriculture de précision pour améliorer la prédiction des rendements, ajuster les intrants et maximiser la productivité tout en minimisant l'impact environnemental.
- Développer des aliments nutritifs et de haute qualité en évaluant la composition nutritionnelle et en améliorant la recherche agronomique sur la gestion des rendements, notamment l'irrigation, la fertilisation et la rotation des cultures.
Instruments
Imagerie hyperspectrale Specim
Les caméras hyperspectrales Specim FX10 et Specim FX17 offrent une surveillance avancée des plantes grâce à la collecte de données spectrales haute résolution. Couvrant les longueurs d’onde du visible et proche infrarouge (VNIR) au proche infrarouge (NIR), ces caméras permettent un phénotypage non invasif et à haut débit, capturant des indicateurs clés de la santé des plantes tels que l’NDVI (Indice de Végétation par Différence Normalisée), PRI (Indice de Réflectance Photochimique) et l’Indice de Chlorophylle.
Applications
Plateforme de phénotypage à haut débit
Analyse d’imagerie hyperspectrale rapprochée pour la détection précoce des stress environnementaux sur les plantes individuelles
Source Google Scholar :
Asaari et al. (2018)
HSI en phénotypage végétal
Évaluation d’une caméra hyperspectrale portable (Specim IQ) pour l’analyse phénotypique des plantes et la détection des maladies.
Source Google Scholar :
Behmann et al. (2018)
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