AGAP « Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes méditerranéennes et tropicales », nouvelle unité membre de #DigitAg

L’UMR AGAP – Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes méditerranéennes et tropicales, a rejoint #DigitAg en septembre 2018. Forte de 400 agents, AGAP est une très grande Unité Mixte de Recherche qui constitue un pôle d’envergure internationale en biologie et génétique végétales appliquées. Elle réunit des équipes  du Cirad, de l’Inra et de Montpellier SupAgro, et aussi des agents de l’Institut français de la vigne et du vin (IFV) et du Conservatoire Botanique Mational Méditerranéen de Porquerolles (CBNMed). Rencontre avec Emmanuel Guiderdoni (Cirad, Directeur adjoint de l’unité),  Evelynes Costes (Inra) et Jean-Marc Lacape (Cirad), animateurs de champs thématiques de l’unité.

La biodiversité des plantes cultivées présente des sources de capacité adaptative variées et nombreuses. AGAP analyse et valorise les ressources génétiques de plantes cultivées méditerranéenne et tropicales à travers l’étude de la structuration de leur diversité et de leur adaptation aux contraintes abiotiques et biotiques. L’unité produit des connaissances en biologie et génétique végétale sur une vingtaine d’espèces et crée des variétés adaptées à une gamme d’environnements et d’usages, pour les agricultures du Nord et du Sud.  AGAP gère aussi de nombreux plateaux techniques et plateformes (génotypage, phénotypage, bio-informatique, imagerie cellulaire, modélisation, serres…) et des collections de ressources génétiques d’espèces végétales dans ses CRB (Centres de Ressources Biologiques).

L’unité est organisée en 3 champs thématiques :

  1. « Diversités & Génomes : structure, domestication, milieux, sociétés », qui aborde l’analyse de la diversité végétale maintenue au sein des agrosystèmes et l’étude des facteurs de diversification et de maintien de la diversité, y compris les facteurs sociétaux à des échelles allant du génome à la population. Ce champ mobilise des compétences scientifiques en génétique, génomique, mais aussi en anthropologie et sciences politiques, appuyées par des méthodologies bioinformatiques et biomathématiques.
  2. « Développement et adaptation des plantes et des peuplements », qui étudie les bases génétiques et fonctionnelles des caractères qui interviennent dans la tolérance aux contraintes abiotiques et biotiques, comme les facteurs climatiques, la résistance aux maladies et la qualité des produits. Ce champ mobilise des compétences et des technologies de génotypage, phénotypage (ensemble des caractères observables), analyse fonctionnelle, imagerie et modélisation.
  3. « Approches intégratives pour l’innovation variétale », qui valorise l’ensemble des connaissances de l’unité dans des programmes d’amélioration variétale. Menés en partenariat et avec les utilisateurs finaux, ces programmes de sélection font appel aux outils de génétique, de génomique et de phénotypage.

Mots-clés : biodiversité – amélioration – sélection végétale / génétique / génomique, biologie, physiologie – écophysiologie des plantes / phénotypage haut-débit –  imagerie – statistiques – informatique (modélisation des plantes – traitement d’images – workflows scientifiques – gestion de la provenance des données) – ingénierie logicielle – interopérabilité des données

Quels sont les apports d’AGAP à l’agriculture numérique dans #DigitAg ?

Les contributions d’AGAP concernent les développements méthodologiques et logiciels et leurs applications, principalement aux céréales et arbres fruitiers.

Ses recherches s’inscrivent dans :

  • les challenges no. 1 – Agroécologie (adaptation des plantes et contribution de leur diversité à l’agroécologie) et no. 2- Phénotypage rapide,
  • l’axe 4 – Système d’information, stockage et transfert de données (gestion des flux de données et reproductibilité : ses grandes quantités de données nécessitent serveurs de stockage et clusters de calcul, le développement de bases de données comme DAPHNE – DAtabase PHenotype plaNt intEgration, et la définition des standards d’interopérabilité ainsi que la gestion de la provenance comme dans la plateforme OpenAlea,
  • ainsi que dans les axes 5 – Fouille de données, analyse de données, extraction de connaissances et 6 – Modélisation et simulation (multi-échelles).

Plusieurs équipes de 2 champs thématiques d’AGAP sont impliquées dans #DigitAg :

L’équipe GE²pop « Génomique évolutive et gestion des populations » du champ thématique Diversités & Génomes : structure, domestication, milieux, sociétés

GE²pop est une équipe Inra-Montpellier SupAgro qui travaille sur l’histoire évolutive d’espèces et de populations végétales, quantifie son impact sur leur diversité et leur fonctionnement, et élabore des stratégies de gestion et de valorisation des ressources génétiques d’espèces cultivées ainsi que de formes sauvages apparentées. L’équipe possède de solides compétences en génétique et en génomique mais aussi en bio-informatique et en phénotypage. Cultures concernées : blé dur, maïs, et Medicago truncatula (espèce modèle non-cultivée)

Sujets d’intérêt pour l’agriculture numérique au sein de #DigitAg : en phénotypage, l’équipe étalonne des données spectrales (couplées ou non à de l’imagerie) collectées sur des organes isolés ou des couverts végétaux, pour quantifier différentes propriétés foliaires (teneur en azote, chlorophylle, masse spécifique). Ces inférences permettent de préciser les bases génétiques de ces caractéristiques et les effets de la domestication. Nous utilisons aussi la signature spectrale pour identifier la contribution de différentes composantes génétiques au sein de mélanges variétaux pour préciser les règles d’assemblage et d’optimiser les performances de ces mélanges.

Avec plusieurs équipes impliquées, le champ thématique Développement et adaptation des plantes et des peuplements est le premier concerné par l’agriculture numérique :

  • L’équipe AFEF – Architecture et fonctionnement des espèces fruitières étudie et modélise les bases génétiques et écophysiologiques de caractères de développement et d’adaptation qui constituent des enjeux innovants pour la sélection des espèces fruitières : l’architecture, la phénologie de l’arbre et sa régularité de production, les réponses aux contraintes environnementales (températures élevées, stress hydrique…). Cultures concernées : arbres fruitiers (pommier)


AGAP, Equipe AFEF, Proxidétection © Cirad

Exemples de sujets & outils pour l’agriculture numérique : études du développement des arbres (feuillage et fructification) et phénotypage haut-débit de l’architecture 3D par LIDAR, de leur comportement estival vis-à-vis d’un stress hydrique, par imagerie thermique et multi-spectrale, modélisation structure-fonction  (analyse de l’architecture végétale qui intègre les fonctions physiologiques de la plante).

  • L’équipe PAM – Plasticité phénotypique et adaptation des monocotylédones analyse les interactions G (génotype) x E (environnement) x C (conduite culturale) pour identifier des traits d’adaptation aux contraintes climatiques et nutritionnelles, afin d’orienter les approches de phénotypage et de modélisation intégrée des phénotypes et d’idéotypes  (variétés « idéales » pour un usage, un produit et/ou un environnement donné) de plantes en peuplement. Cultures concernées : riz, sorgho, palmier à huile…

Compétences mobilisées : écophysiologie associée à l’histologie, la biochimie, les statistiques et l’informatique.

  • L’équipe M2P2 – Modèles et méthodes pour le phénotypage des plantes développe des méthodes et composants logiciels pour gérer et analyser les données de phénotypage de plantes issues de plateformes robotisées de phénotypage haut-débit et des nouvelles générations de capteurs (scanner laser 3D, différents types de caméra) qui remplacent progressivement le phénotypage à la main des plantes. Ces plateformes produisent des données spatio-temporelles et permettent d’étudier le développement au cours du temps et d’explorer la variabilité génétique et les effets de l’environnement.

Des plateformes mutualisées en modélisation, traitement des données massives, imagerie et phénotypage

  • Coordonnée par l’équipe M2P2, plateforme logicielle OpenAlea est une plateforme collaborative open source de modélisation des plantes,  de l’échelle tissulaire à celle de la plante entière. Ce système de gestion de flux de données scientifiques (« scientific worfkflows ») distribue automatiquement des calculs, comme l’analyse de données de phénotypage, sur des infrastructures distribuées (cloud, grid). La provenance des données est conservée pour garantir la reproductibilité et la traçabilité des résultats.


OpenAlea, Radiation absorption © Cirad

A ce jour, OpenAlea intègre 90 modèles et permet leur interopérabilité et celles de modules pour l’acquisition, l’analyse et la simulation du développement des plantes.
Ces modèles concernent l’agronomie (impact du changement climatique sur les cultures mono-spécifiques et mixtes), la génétique (variation des performances) comme la biologie du développement (interactions génome/environnement). et intègrent des connaissances en informatique, mathématique, physique …

– Une extension récente : la gestion et le traitement de très grands volumes de données acquis par les capteurs et robots de génotypage et phénotypage.
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Des interfaces sont développées avec d’autres plates-formes de modélisation (CAPSIS, RECORD, GroIMP, LStudio) et la plateforme fait partie de l’initiative AMEI pour l’interopérabilité des modèles de culture.
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Exemples de modélisations intégrées : modèles multi-échelles d’arbres fruitiers, l’architecture hydraulique du sorgho, modélisation de cultures mixtes en agroécologie.

  • La plateforme PHIV  (Histocytologie et Imagerie cellulaire Végétale) : développe l’histologie haut-débit pour répondre aux besoins de phénotypage anatomique, à l’échelle tissulaire. PHIV étudie le rôle des composantes cellulaires et tissulaires, dans la réponse adaptative des plantes à leur environnement, leur impact sur des caractères agronomiques  comme la profondeur d’enracinement  ou  la qualité de la biomasse produite.
    • Inaugurée en février 2019, cette plateforme commune Cirad-Inra-Montpellier SupAgro-CNRS propose services et collaborations aux sociétés privées et les instituts techniques.
    • PHIV, associée à des physiciens du Laboratoire L2C (Uniersité de Montpellier) dans le projet étendard APLIM (Advanced Plant Life Imaging and Metrology), développe des technologies de résonance magnétique (RMN, IRM, nanosondes) pour étudier la réponse des plantes aux contraintes abiotiques et biotiques. Un capteur innovant RMN portable a été développé pour caractériser le stress hydrique des plantes aux champs (thèse cofinancée LabEx Numev-Cirad).


Plateforme PHIV, Imagerie © Cirad

  • On peut aussi citer la plateforme DiaPHEN, dédiée au phénotypage. DiaPHEN permet d’expérimenter pour des cultures annuelles (maïs, sorgho, blés…) et d’arboriculture (pommier) en conditions de stress hydrique et thermique. C’est également un lieu de test et de mise au point de capteurs et de collaborations avec les équipementiers. DiaPHEN est gérée par l’unité Inra Diascope à Mauguio.

Nos collaborations scientifiques en agriculture numérique au sein de #DigitAg

A l’Inra, nous collaborons avec les UMR MISTEA et LEPSE. Christophe Pradal (M2P2) co-encadre les thèses #DigitAg de Cyrille Midingoyi sur la « représentation sémantique et modulaire des modèles de cultures à l’aide d’un métalangage déclaratif » et de Gaëtan Heidsieck sur la « Gestion distribuée des workflows scientifiques pour le phénotypage haut-débit des plantes » avec l’Université de Montpellier (équipe Zenith du Lirmm) et le LEPSE à l’Inra. Nous collaborons aussi avec l’UMR EMMAH pour des méthodologies d’analyse d’image.

Avec Irstea, Jean-Luc Regnard et Magalie Delalande ont mené des recherches communes avec l’UMR Tetis sur l’analyse d’image de couverts discontinus d’arbres fruitiers, qui ont abouti à plusieurs co-publications avec Sylvain Labbé.

Toujours en agriculture numérique, nous avons un projet de thèse commune avec le LIRMM appliqué aux fruitiers : il s’agit d’utiliser des méthodes de machine learning pour améliorer la distinction des différentes parties des arbres, de mieux estimer le nombre de rameaux courts porteurs de fruits.

Enfin, nous avons eu plusieurs projets avec l’entreprise ITK : des travaux sur riz et sorgho et un co-encadrement de thèse en cours, aussi sur le pommier.

Quelle est notre vision de l’agriculture numérique ?

Comment telle variété va se comporter dans tel environnement ? C’est ce qui nous intéresse.

L’accès à des outils numériques est pour nous la possibilité de monitorer le comportement de variétés au champ, que ce soit par des capteurs sol, de potentiel hydrique directement sur les plantes, ou avec l’imagerie qui a un rôle très particulier, puisque cette méthodologie nous permet d’avoir accès au comportement de beaucoup de génotypes en même temps, dans une même condition environnementale. Chaque variété réagit de manière très fine à son environnement, donc mettre 2 heures à acquérir les données entre la première variété et la dernière ne garantirait pas des conditions environnementales strictement identiques (fluctuations météo par exemple). Par contre, une caméra aéroportée au-dessus du couvert produit un instantané de la parcelle, et donc de tous les génotypes en même temps et permet de voir lesquels sont en situation de fort stress ou de stress moyen, dans les mêmes conditions climatiques.

Dans ce contexte, la modélisation écophysiologique (modèle de culture, FSPM) et statistique joue également un rôle essentiel en ce sens qu’elle permet de capturer (sous formes d’équations mathématiques) les processus de réponse des plantes à leur environnement intervenant au cours de la vie de la plante et de comprendre et/ou prédire ainsi les phénotypes résultants, en fonction du génotype (valeur des paramètres des équations du modèle) et de l’environnement (conditions environnementales temporelles).

Donc, pour l’acquisition de données qui nécessitent de la rapidité, les technologies du numérique permettent l’instantanéité d’acquisition sur un grand nombre de génotypes.

Ensuite, pour l’analyse statistique, la reconstruction ou la simulation de plantes, la segmentation d’images, nous nous reposons sur des outils logiciels qu’il faut interconnecter. L’interopérabilité des données et des outils d’analyse, c’est à dire la possibilité de les relier les uns aux autres permet l’automatisation de pipelines d’analyses. Suite à une campagne d’acquisition, nous travaillons sur un grand nombre de génotypes durant plusieurs journées avec des données extrêmement lourdes à gérer, et donc, ces pipelines sont essentiels pour améliorer l’ergonomie de l’analyse, nous aider à en extraire les descripteurs pertinents automatiquement.

Nous attendons aussi beaucoup du deep learning pour améliorer la qualité des informations extraites des données. C’est un champ de recherche important pour les équipes d’AGAP et celles avec lesquelles nous collaborons.

AGAP à l’international

L’unité, basée à Montpellier, est aussi présente dans les départements et régions d’outre-mer et en Corse. A l’international, nous avons une quinzaine expatriés en Afrique, Amérique latine, Asie, Europe et Océanie, pour des recherches et des formations en partenariats publics et privés.

Deux exemples de collaborations internationales qui intéressent l’agriculture numérique :

  • Au Nord : le consortium CropsInsilico (USA, Université de l’Illinois), auquel participe Christophe Pradal, vise à établir une plateforme de modélisation multi-échelle, pour intégrer des connaissances du gène au champ.
  • Au Sud, au Sénégal, où nous collaborons depuis 20 ans avec le CERAAS (Centre d’étude régional pour l’amélioration de l’adaptation à la sécheresse) nous apportons notre expertise au sein de l’action incitative du Cirad dP IAVAO (dispositif de recherche et d’enseignement en partenariat Innovation et Amélioration Variétale en Afrique de l’Ouest), ), pour la mise en place d’une plateforme de phénotypage notamment basé sur l’imagerie aéroportée. Les cultures concernées sont principalement le sorgho, l’arachide, le niebe et le mil.
    • Financé par la fondation Gates, Sorghum Genomics Toolbox est un projet phare financé par la fondation Gates, pour développer des outils et des données (phénotypage / séquençage) en vue d’accélérer l’amélioration variétale du sorgho pour la région soudano-sahélienne.

D’autres collaborations internationales sont mises en œuvre en Amérique du Sud (CIAT en Colombie), en Chine (Université de Shanghai), en Océanie (IAC en Nouvelle-Calédonie), ou avec des pays du pourtour méditerranéen (Italie, Maroc, etc.). Les cadres d’intervention sont principalement les dispositifs en partenariat du Cirad, mais aussi différents centres internationaux (CGIAR), ou établissements universitaires.

En savoir plus

  • Site de l’UMR AGAP  –  Localisation principale : Avenue Agropolis – 34398 Montpellier Cedex 5
  • Contacts Direction : Claire Billot, Directrice de l’UMR (Cirad) – diragap [AT] cirad.fr
  • Contacts thématiques : Développement et adaptation des plantes et des peuplements : evelyne.costes [AT] inra.fr / Diversités & Génomes : structure, domestication, milieux, sociétés : xavier.perrier [AT] cirad.fr/ Approches intégratives pour l’innovation variétale : jean-marc.lacape [AT] cirad.fr
  • Contacts plateformes : OpenAlea : christophe.pradal [AT] cirad.fr / PHIV : jean-luc.verdeil [AT] cirad.fr