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Accélérer l’amélioration variétale grâce à la phénomobile 

La phénomobile est un véhicule autonome équipé de capteurs capables de mesurer rapidement les caractéristiques d’une culture à l'échelle de la micro-parcelle. Ce phénotypage à haut débit permettra de tester un grand nombre de croisements et d’accélérer l’amélioration variétale.

Phénomobile, robot de phénotypage à haut débit au champ.
Véhicule autonome équipé de capteurs (caméra, Lidar,spectrophotomètre) mesurant la structure tridimensionnelle et la quantité de chlorophylle de la culture.. © Inra, Frédéric Baret
Par Frédéric Baret - Pascale Mollier
Publié le 28/04/2015

Le phénotypage haut débit : un verrou en passe d’être levé

 Si les techniques de génotypage ont réalisé des progrès majeurs ces dernières années, l’amélioration variétale était encore limitée par la quantité et la qualité des mesures permettant d’évaluer les performances des différents croisements obtenus. Pour phénotyper rapidement des cultures sur des micro-parcelles, les recherches se sont naturellement orientées sur les techniques de télédétection. Plusieurs projets associant Arvalis Institut du végétal et l’Inra ont permis d’explorer les possibilités offertes par ces techniques et de faire émerger rapidement le concept de la phénomobile.

 La phénomobile, robot des champs

 La phénomobile est un robot qui permet de déplacer un ensemble de capteurs le long d’une trajectoire prédéfinie et de réaliser des mesures selon un scénario programmé.

La phénomobile embarque trois types de capteurs pour observer la végétation :

  • Une caméra industrielle RGB permettant de calculer la fraction de vert et de décrire la structure du couvert
  • Un LIDAR permettant de mesurer la distance du couvert. La hauteur mais aussi la structure tridimensionnelle peut ainsi être décrite de manière détaillée.
  • Un spectrophotomètre mesurant la quantité de lumière réfléchie par le couvert dans le domaine spectral du visible et du proche infrarouge, indicateurs du contenu en chlorophylle du couvert.

Ces capteurs opèrent dans les directions verticales et inclinées à 45° perpendiculairement aux rangs pour augmenter la quantité d’informations sur la structure ou les propriétés optiques des cultures. Des flashs puissants éclairent la végétation lors de la mesure des caméras RGB et des spectrophotomètres pour limiter l’influence des conditions extérieures fluctuantes. La phénomobile peut ainsi fonctionner de jour comme de nuit.

 Le système a été testé en conditions opérationnelles sur une plateforme d’un millier de micro-parcellesde blé échantillonnées en 10 heures. Une telle campagne génère 350 Go de données  et une saison  4 To. Des chaines de traitement automatiques des données sont en cours de développement pour extraire de cette masse d’information les principaux traits utilisés pour l’amélioration variétale.

 Une deuxième version de la phénomobile en projet

 Dans le cadre du projet d’investissement d’avenir « Phénome », une deuxième version de la phénomobile doit être construite, adaptée à une plus large gamme d’espèces (mais, tournesol, colza, pois …) pour équiper les cinq plateformes de phénotypage au champ (Montpellier, Toulouse, Dijon, Clermont, Ouzouer). La complémentarité de la phénomobile et de l’observation par drone est également étudiée. Enfin, des retombées très importantes sont attendues pour améliorer la modélisation des cultures (validation et étalonnage des modèles, incluant des paramètres variétaux).

Source : Lettre de la CNUE n°12, janvier 2015.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Frederic Baret UMR1114 EMMAH Environnement Méditerranéen et Modélisation des Agro-Hydrosystèmes
Département(s) associé(s) :
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Environnement et agronomie
Centre(s) associé(s) :
Provence-Alpes-Côte d'Azur

Anatomie de la phénomobile

Le prototype de phénomobile a été conçu pour échantillonner les micro-parcelles de cultures basses (hauteur maximum=1.35 m). Le robot est propulsé par quatre roues motrices et directrices mues par des moteurs électriques. L’énergie est fournie par un groupe électrogène permettant une autonomie de huit heures. La largeur du robot (espace entre les roues) est réglable de manière à s’adapter à différentes modalités de semis. Le système est dirigé par un autopilote recevant en temps réel la position géographique grâce à un GPS RTK assurant une précision centimétrique. La phénomobile possède des systèmes de sécurité permettant d’éviter tout risque de collision inopportune. Elle est équipée à l’avant un bras de hauteur réglable supportant les différents capteurs destinés à caractériser la structure de la végétation et ses propriétés optiques. La hauteur de la plateforme s’ajuste automatiquement à la hauteur de la végétation pour maintenir constante la distance de mesure.

Les plateformes de phénotypages végétales à l’Inra : à chacune sa spécialité

On peut réaliser le phénotypage à haut débit à plusieurs échelles complémentaires : en serre, où l’on mesure le comportement individuel de chaque génotype dans des conditions de serre strictement contrôlées (1), ou bien au champ, où l’on mesure les caractéristiques de la culture dans son ensemble. L’Inra développe les deux types de dispositifs :

- Le réseau national Phénome, coordonné par l’Inra :

  • PhénoArch (Montpellier), plateforme orientée sur le comportement des plantes en serre vis-à-vis de l’eau, de la lumière et des variations de températures.
  • PPHD (Dijon) : phénotypage en serre des parties aériennes et des racines, grâce aux rhizotrons, des dispositifs permettant d’étudier les interactions des végétaux avec les micro-organismes du sol.
  • Cinq plateformes de phénotypage au champ (Ouzouer-le-Marché, Dijon, Clermont-Ferrand, Toulouse, Montpellier) dont trois avec phénomobile.
  • Deux plates-formes omiques, Phenics (Nantes) et Hit-Me (Bordeaux) : mesures métaboliques et structurales.

- Le phénoscope (Versailles) : robot de phénotypage original permettant d’homogénéiser les conditions de culture en serre en faisant passer chaque plante dans toutes les positions de la table (735 plantes simultanément).

- Genobois (Orléans, Bordeaux) : mesures à haut débit (lots atteignant plusieurs milliers d'échantillons) de propriétés physicochimiques liées à la qualité du bois.

- Participation à la Structure fédérative de recherche Quasav (Qualité et santé du végétal) : plafeforme de phénotypage semences et plantes Phenotic.

(1) Génotypage et phénotypage à haut débit vont de pair dans la génétique d’association, qui est devenue une méthode de choix pour la sélection et, plus fondamentalement, pour décrypter les fonctions des gènes : elle consiste à associer statistiquement les caractères morphologiques ou physiologiques d’une plante (dont l’ensemble constitue le phénotype) à la présence de gènes ou de QTL (dont l’ensemble constitue le génotype).