France
February 14, 2012
Les préoccupations de l’agriculture face au changement climatique rendent urgent le développement de plantes qui tolèrent des contraintes environnementales plus fortes telles que le déficit hydrique, des températures plus élevées ou un air plus sec. Pour cela les chercheurs de l’Inra de Montpellier disposent depuis cette année d’une plate-forme unique en France. Elle permet l’analyse quantitative simultanée du comportement de 1650 plantes, cultivées dans une serre, pour en dégager les caractéristiques les plus intéressantes afin de sélectionner et d’améliorer des espèces d’intérêt agronomique. Cette opération a pu être réalisée grâce à un financement exceptionnel de l’Inra, au soutien du Conseil régional Languedoc-Roussillon et de partenaires (CNRS, Cirad, Université Montpellier 2 et Montpellier SupAgro).
Un premier défi était technologique car il faut pouvoir mesurer sur des milliers de plantes plusieurs caractéristiques de façon simultanée et automatique, en même temps que les conditions environnementales.Un second défi était -et reste- scientifique, pour gérer et organiser de grandes quantités d’information, calculer des variables ayant un sens biologique à partir de variables brutes et les mettre en relation avec les conditions environnementales et les caractéristiques des génomes.
La plateforme PhénoArch permet l’analyse de 1650 plantes, simultanément avec les conditions climatiques et l’état hydrique du sol mesurés toutes les minutes. Les plantes, qui peuvent être des céréales, de la vigne ou des petits arbres, sont cultivées en pots qui se déplacent sur des convoyeurs gérés informatiquement. La teneur en eau du sol est automatiquement contrôlée dans chaque pot par pesée et arrosage automatique pour obtenir une humidité cible pour chaque plante étudiée.
L’architecture et la surface foliaire de chaque plante sont suivies par des images en trois dimensions prises à intervalles réguliers. L’accumulation de biomasse est également estimée par imagerie, et la transpiration par pesées successives. Ces données permettent de calculer l’efficience d’utilisation de la lumière ou de l’eau des différentes variétés et espèces analysées. Chacun de ces caractères est ensuite analysé génétiquement pour identifier des modalités de gènes (allèles) qui apportent des avantages aux plantes en conditions de stress. PhénoArch a ainsi la capacité d’identifier les déterminismes génétiques de caractères agronomiques essentiels mais difficiles à mesurer en plein champ.
La plateforme est couplée avec des modèles permettant la simulation du comportement des génotypes au champ dans un grand nombre de scénarios climatiques présents ou futurs.Elle fait partie de réseaux de phénotypage en construction aux échelles française (projet IA Phenome), européenne (projet UE FP7 EPPN) et internationale. Ces réseaux permettront des échanges de technologies, d’informations et de méthodes.
Cette plate forme est complémentaire à des équipements au champ en cours de développement, permettant d’analyser le comportement des plantes en situations naturelles.
PhénoArch: an innovative platform to analyse the drought tolerance of plants
The concerns of agriculture faced with climate change mean it is urgent to develop plants that can tolerate harsher environmental constraints such as water deficit, higher temperatures or drier air. To achieve this, INRA scientists in Montpellier are now able to benefit from an experimental platform that is unique in France. It enables a simultaneous quantitative analysis of the behaviour of 1650 plants, cultivated in a greenhouse, that can highlight the most interesting traits to enable the selection and improvement of species of agronomic interest. This operation has been made possible thanks to exceptional funding from INRA and the support of the Languedoc-Roussillon Regional Council and other partners (CNRS, CIRAD, Université Montpellier 2 and Montpellier SupAgro).
The first challenge was technological, because it was necessary to be able to measure several traits in thousands of plants, simultaneously and automatically, at the same time as determining their environmental conditions. The second challenge was – and continues to be – scientific, regarding the management and organisation of masses of information, the calculation of variables with a biological sense from raw data and the establishment of links between them and environmental conditions and genomic traits.
The PhénoArch platform enables the analysis of 1650 plants at the same time as minute-by-minute measurements of climatic conditions and soil water status. The plants, which may be cereals, vines or small trees, are cultivated in pots that move on computer-driven conveyor belts. The soil water content is controlled automatically in each pot by weighing and automatic watering to obtain a targeted moisture level for each plant studied.
The architecture and leaf surface area of each plant are monitored by three-dimensional images acquired at regular intervals. Biomass accumulation is also estimated by imaging, and transpiration by constant weighing. These data enable calculation of the use efficiency of light or water in the different varieties and species being analysed. Each of these traits is then analysed genetically to identify gene terms (alleles) that constitute advantages for the plants under stress conditions. PhénoArch is thus able to identify the genetic determinisms of agronomic traits that are essential but difficult to measure in the field.
The platform is coupled with models that can simulate the behaviour of genotypes in the field under a large number of present or future climatic scenarios. It forms part of the phenotyping networks currently being set up in France (IA Phenome project), Europe (EU FP7 EPPN) and internationally. These networks will enable the exchange of technologies, data and methods.
This platform supplements the field devices currently in development that can analyse the behaviour of plants under natural conditions.
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