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Exemples d'application de l'analyse d'images aux semences
Journée d’Information Technique « Production de Semences de Céréales et protéagineux », 15/03/2017
Cadot Valérie, Faure Marlè[email protected]
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Les missions du GEVES
Sur les nouvelles variétés végétales
Expertise et recherche méthodologique
En vue de : - L’inscription au Catalogue Officiel
français)
- de la protection juridique du droit des obtenteurs
Sur les semences
Appui à la filière semences (notamment en vue de la certification des semences)
Le Secteur d’Etude des Variétés (SEV)
La Station Nationale d’Essais de Semences (SNES)
Le GEVES étant organisé en 3 secteurs :BioGEVES
(Biologie moléculaire)
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Attendus de la recherche sur les nouveaux outils de phénotypage au GEVES
Dépasser les capacités humaines : Débit, précision, volume des données, non destructif, par des méthodes automatisées utilisant l’imagerie, les mesures spectrales ou les capteurs physiques
Valorisation Intégration dans les méthodes et protocolesNouvelles offres de prestation
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SEV :– Imagerie numérique conventionnelle
• Mesure automatique des organes• Pouvoir couvrant : nouveau trait
– Imagerie multispectrale et morphométriques : Videometer• Résistance variétale, …
– Drones : Evaluation des potentialités en VATE
BIOGEVES :– Chromatographie, spectrophotométrie, NIRS
SNES en lien avec la plateforme Phenotic à Angers– Germination et levée semences Bancs de germination, Eloncam– Analyses semences sèches Tomographie RX, trieur optique, BD adventices Keepeek
Attendus de la recherche sur le phénotypage au GEVES
EloncamBancs de germination
Tomographe
Videometer
Trieur optique
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Tomographe
Objectif : Morphologie interne des semences en 3D pour
comprendre ou prédire des problèmes de qualitéphysique et germinative de certains génotypes
Principe : Générer une image en 3D de la structure interne d’une
semence à partir d’une grande série d’imagesradiographiques en 2D prises autour d’un seul axe derotation .
Accessibilité : Analyses sur plusieurs caractères pour plusieurs espèces,
dans le cadre de projets de recherches, via la plateformePHENOTIC ou en prestation privée.
Contacts :Laboratoire d’Analyses Physiques de la [email protected] [email protected]
AKER : Betterave : Morphologie interne
PEAMUST : Résistance à la bruche % dégâts/semence sur pois, feverole
c1
c2 c3
end
scurad
Maïs : Mesures surfaces, volumes/organe
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Résistance variétale aux bioagresseurs
Phénotypage de la résistance variétale aux bioagresseurs, dans le cadrede l’inscription au catalogue, de la protection variétale et offre deprestation
Etudes VATE : 128 bioagresseurs, dont 92 au champ
Cas de la fusariose sur épis : essais inoculés
Estimation visuelle du % épillets fusariéssur blé tendre, blé dur et triticale
Inconvénients :– Analyse subjective entre experts – Nécessite beaucoup d’expertise– Confusion si symptômes proches– Notation longue, plante à plante
0 5 10 20 40 50 60 90 100
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Objectif
Utiliser le traitement d’images pour automatiser le phénotypage de la résistance
variétale aux bioagresseurs
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A l’échelle du grain : en laboratoire avec le Videometer
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Exemples d’application de l’imagerie multispectrale :
1. Application en routine : Fusariose sur grains de blé tendre
2. Programme de recherche FSOV: Microdochium sur grains de blé tendre
3. Autres applications
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
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Exemples d’application de l’imagerie multispectrale :
1. Application en routine : Fusariose sur grains de blé tendre
2. Programme de recherche FSOV: Microdochium sur grains de blé tendre
3. Autres applications
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
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Imageur multispectrale : Videometer Lab3
Principe du Videometer : Eclairage de l’échantillon avec 20 LEDs de longueurs d’ondes différentes de 375nm à 970nm
1 acquisition 20 images
PRÉSENTATION DU VIDEOMETER
RGB
Image multi‐spectrale : N bandes correspondant à N longueurs d’onde différentes de l’UV à l’IR
Plus discriminant qu’en RVB
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PRÉSENTATION DU VIDEOMETER
1. Acquisition des images multispectrales
2. Classification des grains par analyse discriminante
‐ Utilisation de l’information spectrale‐ Possibilité d’utiliser l’information morpho‐métrique
3. Calcul du pourcentage de grains infectés
‐ Seuillage des pixels classés‐ Exploitation des résultats avec Excel
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Objectif : Classement des variétés suivant leur résistance à la Fusariose de l’épi (Fusarium graminearum)
Développement d’un algorithme : Fusa Spectrale Blé tendre R 2013‐2015Evaluation du pourcentage de grains fusariés
Différents facteurs étudiés :– Année 1 : stade (en végétation/à la récolte), organe (épi/grain)– Année 2 : facteur variétés sur les essais GEVES– Année 3 : facteurs année, variétés, autres sites CTPS en étude,
en routine pour essais GEVES
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Fusariose sur grains de blé tendre
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Tr1
Tr2
Tr3Tr4
Tr5
Tr6
Tr7
Tr8Tr9
Tr10
Tr11
Tr12Tr13
Tr14Tr15
Tr16
Tr17Tr18
Tr19
Tr20
Tr21
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Tr25
Ap1
Ap2Ap3Ap4Ap5
Ap6
Ap7
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Ap10Ap11
Ap12
Ap13Ap14
Ap15
Ap16Ap17
Ap18
Ap19
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Ap21
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Ap23
Ap24Ap25
Al1
Al2
Al3Al4
Al5
Al6
Al7
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Al10
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Al14 Al15
Al16
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Ar1
Ar2
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Ar17Ar18
Ar19
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Ar25
So1
So2
So3
So4
So5
So6
So7
So8
So9So10
So11
So12
So13
So14
So15
So16
So17
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So19
So20
So21
So22
So23
So24
So25
R² = 0.78R= 0.88
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
% grains fusariés/ép
i par Vidéo
récolte
% épillets fusariés/épi not visuelle à 450°C jour après flo
GEVES Anjouère 2013‐ Blé tendre : 125 données : 5 variétés*25 épis
Fusariose sur grains de blé tendre: Relation entre épillets fusariés en végétation et grains fusariés à la récolte
A l’échelle du grain
GEVES Anjouère 2014‐ Blé tendre:25 témoins + variétés en étude CTPS
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Fortes corrélations du % grains fusariés par imagerie multispectrale avec DON et notations visuelles sur épis en blé tendre Grains fusariés d’après le Videometer : meilleure estimation de la DON que le taux d’épillets fusariés par notation visuelle
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Fusariose sur grains de blé tendre
Contamination avec cannes de maïs : ‐ Site CTPS GEVES Anjouère‐ 3 années d’étude (2014, 2015 et 2016)
R² = 0,8301 R² = 0,7043
0102030405060708090100
0
5
10
15
20
25
30
35
3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4
Not visue
lle % épillets fu
sarié
s
VIde
om. : % grains fusariés
log DON
Contamination avec cannes de maïs : ‐ Site CTPS GEVES Anjouère‐ 2014
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Corrélations très élevées du % grains fusariés par imagerie multispectraleavec qPCR, DON Corrélation un peu moins élevée du % grains fusariés avec les notations visuelles
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Fusariose sur grains de blé tendre
Apache (7)Arezzo (5.5)
Arkeos (3.5)
Aubusson (4.5)
Bermude (3.5)
Cellule (5)Crousty (5)Ephoros (5)
Garcia (3.5)
Hyspeed (6)
Hyxtra (5)
Oregrain (5.5)
Orvantis (3.5)
Oxebo (5.5)Paledor (4.5)PIKO (6.5)
Premio (4.5)
Renan (6.5)
Royssac (2)
Rubisko (5.5)
Shango (3)
Soissons (5)Solehio (5)SY Moisson (6)
Tremie (4)
R² = 0,9447
0
2
4
6
8
10
12
14
0 50 100 150 200 250 300
%gr
ains
fusa
riés/
Vid
eom
eter
qPCR pg d'ADN Fusa graminearum/ng ADN plante
%grain fusariés mesuré par imagerie multispectrale en fonction de la qPCR Fusa. graminearum
Matrice de corrélation (Pearson) :
Variables% grains fusariés / Video
%épillets fusariés/Notation visuelle
DON/HPLC qPCR Fusa gram.
% grains fusariés / Video
1 0.898 0.965 0.972
%épillets fusariés /Notation visuelle
0.898 1 0.867 0.802
DON/HPLC 0.965 0.867 1 0.959
qPCR Fusa gram 0.972 0.802 0.959 1Les valeurs en gras sont différentes de 0 à un niveau de signification alpha=0.05
Ex : Site GEVES Anjouère 2015, contaminé par cannes de maïs
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Utilisation en routine pour classer la résistance variétale à Fusariumgraminearum pour l’inscription au Catalogue depuis 2015.
Gain de temps pour les essais déjà récoltés : 5min/1000 grains ( 6s pour 10cm) en utilisant le Videometer avec convoyeur vs 15min / 25 épis (1000 grains) au champ à 3 notateurs
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Fusariose sur grains de blé tendre
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A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Fusariose sur grains de blé tendre
Etude de la spécificité :Moins bonnes corrélation en présence d’un complexe Microdochium‐Fusariumdans les essais à très forte pression Microdochium, …
… mais meilleure corrélation de la qPCR avec le Videometer qu’avec les notations visuelles, en présence d’un complexe Microdochium‐Fusarium
Légende :Notation visuelleVideometer
R² = 0,94 R² = 0,64
051015202530354045
02468
10121416
0 100 200 300 Notation visuellesuré
pis
Vide
ometer : % grains
fusarié
s
qPCR fusa (pg/nd d'ADN)
Essais avec Fusa + MicroEx : Essai CTPS de Boigneville 2016
Essais avec Fusa seuleEx : Essai CTPS de Anjouère 2015
R² = 0,68 R² = 0,23
0
20
40
60
80
100
120
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1000 2000 3000 Notation visuelle su
r épis
Vide
ometer
: % grains
fusarié
s
qPCR fusa (pg/nd d'ADN)
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Exemples d’application de l’imagerie multispectrale :
1. Application en routine : Fusariose sur grains de blé tendre
2. Programme de recherche FSOV: Microdochium sur grains de blé tendre
3. Autres applications
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
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Partenaires : UFS (Pilote), GEVES, Arvalis Institut du Végétal
Objectif du WP3 : mettre au point un test de résistance variétal à Microdochium pour les sélectionneurs et l’inscription CTPS au Catalogue français
« Tester la capacité du Videometer à quantifier les grains avec symptômes de Microdochium et définir si une distinction peut être faite entre Microdochium spp. et Fusarium spp. »
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Projet FSOV 2014‐17: MICRODOCHIUM
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Mise en place d’une démarche pour créer un algorithme, méthode transférable à d’autres pathosystèmes :
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Projet FSOV 2014‐17: MICRODOCHIUM
Sélection de grains issus de 4 lieux
Acquisition avec le VideometerLab3 (GEVES) :Réflectance20 bandes
Acquisition avec le VideometerLab4 (Florimond Desprez) :Réflectance + Fluorescence47 bandes
Analyse sanitaire :
Construction de la base d’apprentissage
Videometer Lab3 :
IndemneFusaMicro
Videometer Lab4 :
IndemneFusaMicro
Développement d’algorithmes
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Résultats obtenus avec l’algorithme utilisant : Réflectance + Fluorescence
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Projet FSOV 2014‐17 MICRODOCHIUM
Pourcentage :Algorithme
Indemne Micro + FusaAnalyses sanitaires
Indemne 86% 14%Micro + Fusa 0% 100%
% de bonne classification : 95
Réflectance + Fluorescence
Classification en 3 classes : Indemne/Fusa/Micro
Difficulté à différencier Fusarium spp.de Microdochium spp.
Classification en 2 classes :Indemne/Fusa+Micro
Pourcentage : Algorithme
Indemne Fusa Micro
Analyses sanitaires
Indemne 69% 12% 19%Fusa 0% 57% 43%Micro 2% 26% 72%
% de bonne classification : 66,92
Réflectance + Fluorescence
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Objectif : déterminer les longueurs d’onde qui permettent de distinguer la Fusariose du Microdochium spp. à l’aide d’une caméra hyperspectrale
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Recherche interne GEVES Microdochium
Perspective 2017:Si possible, ajout des leds correspondant aux longueurs d’onde manquantes dans le Videometer afin de différencier la fusa du micro, sur un nouveau Videometer.
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Exemples d’application de l’imagerie multispectrale :
1. Application en routine : Fusariose sur grains de blé tendre
2. Programme de recherche FSOV: Microdochium sur grains de blé tendre
3. Autres applications
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
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Blé dur : algorithme en cours de développement
Corrélation Videometer/notation visuelle instable entre années :– Nécessité d’élargir la base d’apprentissage sur des essais multi‐sites et
pluriannuels
Triticale : algorithme en cours de développement
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
Videometer : Fusariose sur blé dur et triticale
Premiers résultats :‐ Essais site CTPS Anjouère‐ 3 années d’étude (2014, 2015 et 2016)
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Blé tendre : – Développement prometteur de
calibration pour la fusariose NIRS/notation visuelle et NIRS/DON sur 2 ans
– A valider sur plus d’essais.
Blé dur et triticale en cours
A L’ÉCHELLE DU GRAIN
NIRS : Fusariose sur grains
Perspectives :‐Microdochium‐Fusarium
Conséquences du passage en routine :‐ Gain de temps: 30 sec à 1 min (max)/1000 grains‐ Non destructif
R²=0.90
R²=0.79
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A L’ÉCHELLE DU GRAIN : PERSPECTIVES
INRA Montpellier : Seed raptor950‐1650nm.
1600‐2400nm.
Perspectives :Intégrer le NIRS sur des lignes robotisées de phénotypage post récolte ou en usage portatif?
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A L’ÉCHELLE DU GRAIN : PERSPECTIVESPhénotypage à l’échelle du grain avec le Videometer
Perspectives :‐ Prestation de services‐ Passage en routine pour l’ensemble des essais CTPS de blé tendre, de blé dur et de triticale
Conséquences lors du passage en routine :‐ évaluation d’un nouveau caractère : Résistance au Microdochium spp.
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A l’échelle de l’épi : du labo au champ
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A L’ÉCHELLE DE L’ÉPI
Objectif : Comparaison et développement de technologies de phénotypage pour évaluer les symptômes liés au FHB
Projet Ecophyto IRIGAM: 2016‐2017
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A L’ÉCHELLE DE L’ÉPI
Objectif : en laboratoire et à l’échelle de l’épi, déterminer les longueurs d’onde les plus discriminantes pour la Fusariose à l’aide d’une caméra hyperspectrale
Caméra hyperspectrale : NEO HySpex VNIR216 bandes spectrales correspondant à 216 longueurs d’onde du visible et du proche infrarouge :λmin = 400 nm, λmax = 1000 nm
Traitement des images hyperspectrales avec Matlab
Ecophyto IRIGAM: 2016‐2017
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A L’ÉCHELLE DE L’ÉPI
Etape 1 : comparaison des différentes méthodes statistiques, basées sur des analyses multivariées, pour sélectionner les longueurs d’onde les plus discriminantes
Projet IRIGAM
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A L’ÉCHELLE DE L’ÉPI
Validation des longueurs d’onde sélectionnées pour détecter la fusariose sur épiPour chaque épis, double validation :– Comparaison de la zone fusa détectée visuellement et avec l’algorithme– Comparaison du pourcentage de la surface fusariée estimée visuellement et
avec l’algorithme
Projet IRIGAM
Image initiale
Image avec zone fusa détectée visuellement
Image avec zone fusa détectée par
Image J
Image avec zone fusa détectée par
l’algorithme
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Existence d’un système au champ avec imagerie RVB développé à l’INRA de Clermont Ferrand
A L’ÉCHELLE DE L’ÉPI : PERSPECTIVESPhénotypage à l’échelle de l’épi : passage au champ
Perspectives : Passage au champ avec caméra multispectrale à partir des longueurs d’ondes sélectionnées en laboratoire pour différencier Fusarium, de Microdochium
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CONCLUSION ET POINTS D’ATTENTION PHÉNOTYPAGE GEVES
Nécessité de développer des compétences sur les nouveaux outils : Pas d’équipement totalement clé en main pour nos activités
Adapter les protocoles expérimentaux, Faire évoluer la règlementation
Augmenter les transversalités thématiques (chimiométrie, analyse d’image avec imageJ )
Alternatives :Réduire l’activité champ : transfert au labo (Videometer), développer le génotypage…
Stockage des données
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MERCI POUR VOTRE ATTENTION