[Thèse soutenue] Mario Serouart: Compétition intraspécifique chez le maïs

Compétition intraspécifique chez le maïs : observation par phénotypage in situ, modélisation in silico, régime lumineux et application à l'optimisation de la structure de semis

• Date de démarrage : 3 mai 2021
• Université : A2E – ED 536 Agrosciences & Sciences
• Ecole doctorale : Avignon Université
• Disciplines / Spécialités : Agronomie, Informatique, Statistiques
• Directeur de thèse : Frédéric Baret, Inrae EMMAH Avignon
• Encadrants : Raul Lopez-Lozano, Inrae EMMAH | Jean-Charles Deswarte & Benoît de Solan, Arvalis institut du végétal
• Financement : CIFRE Arvalis | ACTA
• #DigitAg : Thèse cofinancée – Axe 6 : Modélisation et simulation (systèmes de production agricole), Axe 2 : Innovations en agriculture numérique, Axe 3 : Capteurs, acquisition et gestion de données, Challenge 1 : Le challenge agroécologique, Challenge 2 : Le phénotypage rapide

Mots-clés : Deep Learning, LiDAR, Extraction de caractéristiques, Phénotypage à grande vitesse, Données agricoles, Intelligence artificielle, Détection de la lumière, Phénotypage des plantes

Résumé : L’agroécologie intègre les principes écologiques dans l’agriculture pour améliorer la résilience des cultures en limitant les intrants et en maximisant l’efficacité des ressources ou des mécanismes naturels. Ce dernier point est au cœur de cette thèse. Une option pour améliorer les performances des systèmes agricoles est d’optimiser l’architecture des plantes en augmentant l’efficacité de l’interception du rayonnement. Cela pourrait se faire grâce à un mécanisme naturel appelé plasticité phénotypique. Dans un environnement compétitif, avec une densité élevée de plantes, le maïs optimise l’arrangement de ses organes photosynthétiques (feuilles) en fonction des voisins, à travers des processus biophysiques. Ainsi, une réduction de l’ombrage pourrait limiter la perte de la surface illuminée au niveau du couvert végétal. Suivant cette hypothèse, cette étude vise à comprendre l’influence du couvert végétal sur sa capacité à intercepter la lumière. Cela implique deux niveaux d’étude : l’architecture du maïs au niveau de la plante individuelle et celle du peuplement dans son ensemble au travers des schémas de semis, définis par la densité et l’espacement des rangs. Nos analyses reposent à la fois sur des essais terrain, pour se rapprocher autant que possible des conditions réelles (in situ), et sur des reconstructions 3D du couvert, établissant un bilan radiatif sur ces scènes virtuelles (in silico). Concernant les données in situ, elles ont été collectées au cours des trois années de thèse. Un panel unique de cinq hybrides a été étudié sous diverses configurations de semis, créant des environnements plus ou moins compétitifs en fonction de la densité des plantes et de l’espacement entre elles (de 6 à 12 plts.m−2 et de 0.4 à 0.8m, respectivement). Un ensemble de caractéristiques aériennes a été précisément décrit pour chaque traitement et essai. Soit par des acquisitions manuelles ou des estimations indirectes à l’aide du phénotypage à haut débit. Un accent particulier a été mis sur les différences génétiques et environnementales dans les orientations des feuilles dû non seulement à son importance dans l’interception de la lumière, mais aussi à un manque de connaissances identifié dans l’état de l’art. À cette fin, nous avons étudié les interactions G×E et la plasticité induite en modifiant l’espacement des rangs. Grâce à ce focus et en utilisant des données collectées d’autres paramètres aériens, des relations allométriques ont pu être créées pour modéliser les couverts virtuels. Ces relations sont considérées comme réalistes car elles dérivent explicitement de ce qui a été observé sur le terrain (i.e. jumeaux numériques). Cela s’est conlut par l’estimation de l’influence des traits sur le régime lumineux afin d’extraire des idéotypes, i.e.les meilleures configurations théoriques optimisant le rendement. Les résultats de ces analyses ont révélé des différences significatives entre les hybrides et les schémas de semis. En particulier dans le positionnement des feuilles, montrant une forte prédominance des feuilles orientées perpendiculairement à la direction du rang avec l’augmentation de la compétition intra-rang. Cependant, nous avons constaté que ce comportement avait finalement peu d’influence sur l’interception de la lumière grâce à une analyse de sensibilité (importance max. 25%). Cependant, il s’est avéré que l’inclinaison verticale des feuilles est la principale variable architecturale qui régule l’intensité lumineuse et sa distribution. À cet égard, les plantes avec des feuilles plus érectophiles entraîneront une photosynthèse du couvert accrue. Enfin, la configuration du schéma de semis a joué un rôle crucial. Selon ce travail, la réduction de l’espacement des rangs a systématiquement eu un impact positif sur le rendement, quelle que soit la densité considérée. Les amplitudes des gains de rendement liés au rétrécissement des rangs sont d’environ +1.0 à 2.0 t.ha−1 lors du semis à densité >10 plts.m−2 et en considérant des distances entre rangs relativement courtes (<0.6m). Une hypothèse serait une difference dans l’interception et distribution lumineuse dans les patterns carrés, permettant une capture jusqu’à 20% supérieure comparée à ceux dits rectangulaires.

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Contact : mario.serouart [AT] inrae.fr