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Saisissez votre texte Saisissez votre texte 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 Marlène [email protected]

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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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Ap1

Ap2Ap3Ap4Ap5

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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

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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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