Un outil de recherche unique pour étudier la tolérance à la sécheresse du maïs et du blé

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1 Contact presse : Xavier GAUTIER Port Tél presse@arvalisinstitutduvegetal.fr Conférence de presse du 04 mars Paris Maillot - Un outil de recherche unique pour étudier la tolérance à la sécheresse du maïs et du blé SOMMAIRE Relever le défi du changement climatique par la recherche et l innovation p.2 PhénoField une plateforme d étude sur la tolérance à la sécheresse p.4 Les retombées de PhénoField : méthodologie, sélection variétale, OAD p.6 ANNEXES PhénoField en quelques chiffres Phénome : un réseau français de phénotypage à haut débit Plaquette de présentation du programme de recherche «Amaizing» Plaquette de présentation du programme de recherche «Breedwheat» Film d animation «Comment accélérer la sélection grâce au phénotypage et au génotypage à haut débit» Vidéo «La phénomobile, un robot Hi Tech pour le phénotypage des céréales» Inauguration de Phénofield le 12 mai 2015 Intervenants Jacques MATHIEU Directeur Général Katia BEAUCHENE Ingénieur Coordinatrice projet ANR PhénoBlé et GE PHENOME, Animatrice réseau expérimental Biotech et projet phénotypage haut débit David GOUACHE Chef de service Valorisations des biotechnologies Toutes vos Infos presse sur

2 La conférence Paris Climat 2015 nous rappelle les enjeux du changement climatique. De plus, l accroissement des besoins mondiaux en céréales impose d anticiper et de mettre en œuvre des recherches à la hauteur des défis de l alimentation des populations. Les agriculteurs, avec leur institut de R&D ARVALIS, ont décidé d investir prioritairement dans des programmes qui concourent à l amélioration de la sélection variétale. Le réchauffement climatique se fait sentir, des déficits de pluviométrie sont annoncés dans certaines régions, la croissance de la population mondiale est inéluctable, voilà des indicateurs sérieux qui imposent d anticiper pour des recherches qui permettent d augmenter la production de céréales. Ainsi, le «match climat/sélection variétale est-il lancé»! Sur les 15 dernières années, le progrès génétique en blé tendre mesuré dans les expérimentations d ARVALIS est de 10 à 14 quintaux. Pourtant, le rendement national stagne, et les 2/3 de cet écart sont imputables au climat. En maïs, bien que les effets sur la production agricole ne soient pas visibles, la contrainte hydrique en période estivale est de plus en plus forte. Parmi les solutions, la recherche des gènes qui contrôleraient la tolérance au stress hydrique des plantes et l accélération de la création variétale sur ces critères sont stratégiques. 2

3 Evolution du rendement moyen français en maïs grain (q/ha) Le changement climatique impose des actions pour réduire les émissions de gaz à effet de serres. Les effets du réchauffement et des déficits hydriques à certaines périodes commencent à s observer sur les cultures et les évolutions tendancielles motivent des études sur leur adaptation. Plusieurs instituts (ARVALIS, CETIOM, INRA, ) et les pouvoirs publics considèrent que la recherche sur la génétique est une stratégie majeure et investissent dans des programmes et des équipements de recherche novateurs. Ainsi, Phénome, réseau français de phénotypage haut débit (aidé par les Projets Investissements d Avenir) voir annexe- s inscrit dans le réseau européen de phénotypage des plantes. PhénoField est une des neuf infrastructures du réseau national Phénome dont le but est d identifier les gènes qui contribuent à la tolérance à la sécheresse. Depuis 2010, les agriculteurs, producteurs de céréales, ont décidé d investir dans plusieurs programmes de recherche : BreedWheatAmaizing, Phénome (cf annexes) et PhénoField. 3

4 Unique en Europe, PhénoField est un outil de recherche en plein champ qui permet de comprendre l élaboration du rendement du maïs et du blé en situation de déficit hydrique. Située dans la plaine de la Beauce, à 150 km au Sud de Paris en France, cette plateforme gérée par ARVALIS Institut du végétal est constituée de 8 toits roulants qui vont permettre, dès 2015, d acquérir des millions de données permettant in fine d identifier les gènes qui contribuent à la tolérance à la sécheresse du maïs et du blé. PhénoField va aider les chercheurs à comprendre les processus en œuvre quand les plantes doivent faire face à un déficit hydrique et qui sont la cause de différence de tolérance entre les variétés. PhénoField se compose de 8 toits roulants, couvrant au total 5000m², permettant non seulement de protéger automatiquement les expérimentations de la pluie mais aussi de les irriguer. Le dispositif a donc la possibilité de maîtriser les périodes et les intensités de déficits hydriques, voire d apporter de plus grandes quantité d eau par irrigation (eaux de pluie recyclées). Ces parcelles «sous contrôle» peuvent être comparées aux parcelles d essais en plein champ. L analyse des régimes hydriques est très fine et se fait grâce à un réseau de sondes (sondes tensiométriques, capacitives, TDR ou un tomographe de résistivité électrique) qui mesurent la quantité d eau dans le sol en plus de 100 points répartis jusqu à 1,20m de profondeur. Jusqu à 768 micro-parcelles peuvent être observées très finement grâce à une batterie de capteurs qui réalisent des mesures physiques en continu sur la croissance et le développement des plantes, processus que l on appelle phénotypage à haut débit. Selon le protocole déployé sur la plateforme, on peut ainsi étudier jusqu à 400 variétés chaque année ou, pour un nombre plus limité, créer jusqu à 32 climats différents (conduites hydriques distinctes) pour mettre les plantes à l épreuve. En 2015, les premiers essais porteront sur le maïs, avec des variétés étudiées dans le cadre du programme Amaizing. En 2016 ils laisseront place au blé tendre (programme Breedwheat), mais la plateforme peut aussi recevoir d autres grandes cultures. Les disciplines mises en œuvre dans PhénoField sont multiples : agronomie, physiologie végétale, robotique, mesures physiques, bio-informatique et bio-statistique, modélisation. D apparence complexe, cet assemblage fait l originalité et la force du projet et permet d augmenter l acquisition de références, de gagner du temps et de la précision avec des mesures non destructives. Ainsi, 4,5 emplois chez ARVALIS sont spécifiquement dédiés à la plateforme et ont nécessité le recrutement de compétences nouvelles dans l institut. Le domaine le plus insolite pour des agronomes sur PhénoField est celui des mesures physiques des plantes qui permet de les analyser sans aucun prélèvement d organes ni destruction de plantes. Ainsi chacune des 8 nacelles mobiles de phénotypage (à terme, une seule en 2015) comporte : 4 Lidar (télédétection par laser) : mesure en 3D de l architecture du couvert végétal 3 caméras dans le visible : mesure de la surface verte de la surface foliaire, 4 spectroradiomètres : mesure de la réflectance (incidence lumineuse reflétée par les plantes) qui permet le calcul des teneurs en eau, en chlorophylle, en azote, 1 capteur ultrason : mesure la hauteur des plantes et permet à la nacelle porte capteurs de se positionner automatiquement à une distance constante de la végétation 4

5 Traduites en termes mieux connus des physiologistes du végétal, ces batteries de capteurs mesurent l efficience d interception de la lumière, l efficience de la conversion de la lumière en biomasse et l efficience de l utilisation de l'eau, stratégique dans ce type de dispositif. Enfin, la captation d images de synthèse 3D pour l observation de l architecture du couvert complète l analyse du phénotype des plantes. L ensemble de ces mesures étant fait sur un grand nombre d individus, et de façon répétée (jusqu à 20 passages par campagne d acquisition) font parler de phénotypage à «haut débit», qui, sur PhénoField, génèrera des bases de données de plusieurs Téra (1000 Giga), voire Péta (1000 Téra) octets. Le phénotypage combiné au génotypage apporte ensuite les informations qui intéressent les sélectionneurs. Au laboratoire les outils moléculaires sont utilisés pour connaître les gènes des plantes qui ont été observées. En observant beaucoup d individus, on peut associer leurs caractères à des gènes. Une fois le rôle des gènes déterminés, le génotypage à haut débit permet de repérer la présence ou non des gènes intéressants et ainsi de trier parmi des millions d individus. Plus d information grâce au film d animation «Comment accélérer la sélection grâce au phénotypage et au génotypage haut débit?» VOIR LA VIDEO 5

6 Les apports de PhénoField sont multiples. L utilisation «en routine» de nouveaux capteurs physiques permet de faire des mesures fréquentes et non destructives sur les cultures et constitue un banc d essai pour trouver outils et méthodes qui feront évoluer le métier d expérimentateur. Le phénotypage à haut débit permet, en complément du génotypage, d accélérer la sélection variétale. Enfin, la meilleure connaissance de la croissance et du développement des plantes améliorera les modèles de calcul intégrés dans les OAD. En complément des interventions humaines, les capteurs physiques font des mesures non destructives et répétées des plantes. C est un énorme PLUS dans l analyse de la croissance et du développement des cultures. En plus de mesures classiques (hauteur, surface foliaire, teneur en chlorophylle et en azote, teneur en eau, ), la télédétection par laser (ou LIDAR) et les caméras mesurent la surface verte et l architecture de la végétation. Toutes ces mesures, facilement répétables, permettent d examiner un très grand nombre de plantes et d avoir une connaissance beaucoup plus fine et précise de la physiologie végétale. Certains capteurs sont déjà en cours de démocratisation pour une utilisation «en kit piéton». Le fait de pouvoir phénotyper un très grand nombre d individus, sans les détruire, démultiplie les capacités de l observation humaine et, en permettant la production de grains, devient un complément très précieux du génotypage à haut débit, désormais déployé «en routine» dans les laboratoires. L un sans l autre serait vain pour améliorer le travail des sélectionneurs. En revanche, la combinaison des deux permet d accélérer la sélection. L acquisition de millions de données sur le développement des plantes enrichira les bases de données et les modèles écophysiologiques qui sont les moteurs de calcul de nombreux outils d aide à la décision (Farmstar Expert, CHN, ). Indirectement, PhénoField contribuera donc aussi à améliorer les outils utilisés par les agriculteurs au quotidien. 6

7 en chiffres Dates repères 2010 Début de la réflexion sur les projets de phénotypage Haut débit 2011 Lancement des projets Investissement d Avenir BreedWheat, Amaizing (fin du programme en 2019) 2012 Lancement du projet Phénome (fin du programme en 2019) Octobre 2013 Mai 2014 Avril 2015 Début du chantier de construction Première mise en culture de maïs Première expérimentation sur maïs septembre 2016 Première expérimentation sur blé 7.5 hectares de plateforme 2 hectares de surface expérimentale 8 toits roulants 5000 m² de surfaces couvrables 384 microparcelles couvrables 384 microparcelles en pluviales Jusqu à 400 variétés phénotypables par an 16 chariots d'irrigation Jusqu à 32 conduites hydriques différentes 650 m3 d'eau de pluie récupérés et recyclés pour l'irrigation des essais 36 sondes de suivi en temps réel de l état hydrique du sol Plus de 100 points de mesure pour le suivi en temps réel et à différentes profondeur de l état hydrique du sol 1100 plots béton, 200 toupies de béton, 70t de structures métalliques, 2.5 Km de câbles Budget de 8.7 millions d'euros pour réaliser la plateforme : - Financé à 50% par les investissements d'avenir - Au côté de l'état, les agriculteurs ont investi pour l'avenir dans un "accélérateur de phénotypage des plantes" 4,5 emplois 7

8 PHENOME Un réseau français de phénotypage à haut débit Le projet Phénome a pour ambition d équiper la communauté scientifique française avec une infrastructure capable de mesurer, grâce à des méthodes précises et à haut débit, des caractères agronomiques de plantes soumises à divers scénarios de climats et d itinéraires techniques associés au changement global. Ce projet, coordonné par l Inra, a obtenu un financement de 24 M des Investissements d Avenir. Le lancement du projet a eu lieu le 11 avril Le phénotypage à haut débit est un verrou technologique à lever pour permettre la sélection de variétés moins consommatrices en intrants (eau, azote ou pesticides) dans le contexte d une agriculture compétitive et plus respectueuse de l environnement. Dans ce cadre, Phénome a pour ambition de fédérer un réseau de plateformes de phénotypage déjà existantes ou en cours d élaboration sur cinq sites en France. Un fort investissement dans le développement de capteurs et de méthodes d analyse de données sera aussi poursuivi. Le réseau servira la recherche française et européenne, et sera également ouvert à des partenaires privés (semenciers, instituts techniques ). Ce projet de 8 ans associe l Inra, ARVALIS Institut du Végétal et le Cetiom. Phénome comprend les infrastructures suivantes : Deux plates-formes omiques : Phenics (Nantes) et Hit-Me (Bordeaux) permettent de centraliser et optimiser les mesures métaboliques et structurales à l'échelle du projet PhenoArch (Montpellier) et PPHD (Plateforme de phénotypage haut débit - Dijon) : Deux plateformes en conditions contrôlées (capacité de 1900 plantes) avec des manipulations de l'état hydrique du sol, de la température et du CO2, et des mesures de la croissance des plantes, de leur architecture et leur transpiration Deux plateformes au champ en conditions semi-contrôlées avec des modules capables de contrôler la pluie (capacité de 800 micro parcelles) : PhénoField (Ouzouer-le-Marché) et TritiFACE (Clermont- Ferrand) qui est, en plus, équipée d un système FACE (Free-Air Carbon Enrichment) permettant de simuler l enrichissement en CO2 de l air.elles sont équipées de capteurs de mesures comme les 3 plateformes champ décrites ci-dessous. Trois plateformes en plein champ : Dijon, Toulouse et Montpellier. Elles ont un débit supérieur aux précédentes (2000 micro parcelles). Elles sont équipées de capteurs du sol et du climat, ainsi que d'une «phénomobile», véhicule autonome et équipé de capteurs capables de générer des images fonctionnelles à l'échelle de la micro parcelle. Plusieurs projets européens ou d Investissements d Avenir portés par l Inra, comme DROPS, Breedwheat, Amaizing, Sunrise, Rapsodyn, Aker ou Peamust s appuient déjà ou comptent s appuyer sur cette infrastructure. Des collaborations sont en cours au niveau européen, notamment via le projet European Plant Phenotyping Network coordonné par le ICG Jülich (Allemagne), ainsi qu avec le Centre Australien de phénomique (HRPPC, Canberra). D après et ARVALIS 8

9 Quelques vues de «Les 8 serres mobiles construites par CMF sur la station d expérimentation d ARVALIS à Ouzouer le Marché, dans le Loir et Cher, permettent l étude de l élaboration du rendement du maïs et du blé en condition hydrique contrôlée et d identifier les gènes impliqués dans la tolérance à la sécheresse.» 9

10 Aux technologies de haut débit sont souvent associés le phénotypage et le génotypage. Mais que se cache-t-il derrière ces termes scientifiques et à quoi cela sert-il? VOIR LA VIDEO 10

11 LA PHENOMOBILE Un robot Hi-Tech pour «scanner» la végétation en continu Dans l optique de caractériser les ressources génétiques impliquées dans la tolérance aux stress des céréales à paille, l INRA et ARVALIS Institut du végétal ont conçu un robot capable de mesurer à haut débit et de manière automatique l état de santé de centaines de variétés : la Phénomobile. 11

12 Rendez-vous sur le champ le 12 mai