High throughput phenotyping... What’s going on

(1)

HAL Id: hal-02802427

https://hal.inrae.fr/hal-02802427

Submitted on 5 Jun 2020

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

High throughput phenotyping... What’s going on

Christophe Salon

To cite this version:

Christophe Salon. High throughput phenotyping... What’s going on. 2. Abstress European Meeting,

University of Essex. GBR., Dec 2013, Lecce, Italie, juin 2013, Italy. �hal-02802427�

(2)

High throughput phenotyping..

What’s going on

Christophe SALON

UMR 1347-AgroSup/INRA/uB

17 rue Sully - BP 86510 - 21065 Dijon - France

(3)

Scientific : Understand plant response to environmental factors : get a enhanced agronomic production, with a better quality, less fertilizers…

Technical : Reduce the gap between genotyping and phenotyping flows

Economic : Offer to companies the possibility to SME the possibility to access/develop tools and methods at the same level as foreign ones

Goals

(4)

Offer to the plant science communty high throughput phenotyping infrastructure :

Academic and private Research, breeding companies, technical institutes:

Platforms + asscoiated methods and tools

Caracterize large genotype series such as needed for genetic variability studies:

100x field plots- 1000x plants

Populations - varieties- mutants - GMO

Create diverse environmental scenarios including climatic changes

hydric constraints, N stress, parasites, combinations with other constraints : [CO2], temperature, …

Goals

(5)

Model

Moreau et aL. (2006), Plant, Cell and Envir., 29:1087-1098.

Moreau et aL. (2007), Plant, Cell and Envir., 30:213-224.

Moreau et al. (2008), J. Exp. Bot., 59:3509–3522.

Thèse Delphine Moreau – 13 avril 2007

QUANTITE TOTALE D’AZOTE SURFACE FOLIAIRE

PROJETEE

BIOMASSE SOUTERRAINE

BIOMASSE TOTALE

Coefficients d’ajustement Efficience biologique

Date de début de fixation de N

2 1,0

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

0 10 20 30 40

PAR (mol m

^-2

jour

^-1

)

0 1 2 3 4

0 10 20 30 40

0,0 0,5 1,0 1,5

0 10 20 30 40

(

1500 2250 3000 3750 4500

0 10 20 30 40

0,0 0,1 0,2 0,3

0 2 4 6 8 10

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

0 2 4 6 8 10

PAR (mol m

^-2

jour

^-1

) PAR (mol m

^-2

jour

^-1

)

PAR (mol m

^-2

jour

^-1

)

[NO

3-

] (mM)

[NO

₃^-

] (mM) [NO

₃^-

] (mM)

0 400 800 1200

0 2 4 6 8 10

Efficience de conversion de N en surface projetée

Prélèvement de N spécifique AVANT la date de début de fixation de N

₂

Prélèvement de N spécifique APRES la date de début de fixation de N

₂

[NO ₃ ^- ] [NO ₃ ^- ]

Dynamic leaf area measurement

Genotypes of Medicago RIL ranked for

ability to uptake N

Before: Detect contrasted N nutritions

(6)

Adapta&ve strategy of plants faced to a N constraint

Roots Dry Weight (g) 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

Nodu les Dry W eig ht (g)

0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020

Number of nodules counted on the scan

0 200 400 600 800

Rea l nu mber of no du les

0 200 400 600 800 1000

Surface area

20 30 40 50 60 70

Root Dry W eig ht (g ro ot/ pl ant) 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

y = 0.0106 ln(x) + 0.0369, R≤ = 0.78 y = 0,000041x² - 0,001530x + 0,087432, R≤ = 0,839

y = 1.1645 x - 9.45, R≤ = 0.90

Nodules number and size, appearance

NH4NO3 10

mM -N KNO3

0.5 mM 14 days after inoculation

Split roots

Ruffel et al. (2008), Plant Physiol. 146: 2020-2035.

Salon et al. (2009), CRAS, 332 :1022-1033.

Jeudy et al. (2010), New Phytol, New Phytol., 185:817-828.

Morphometry versus

functional strategy identifcation

Before: Identify a strategy

(7)

S ol

NO ₃

-

N

2 CO ₂ Leaf Surface

Area

Total N amount

Belowground Biomass

Total Biomass Radiation Conversion

Contrasted root architecture

Salon et al. CR Biologies 2009 Bourion et al submited

No modiﬁca&ons of C acquisi&on rules Lower N uptake efficiency

N Uptake

Characterizing the func&onal behavior of a mutant: hyper ramiﬁed TR 185

Wild Type Mutant = TR185

Before: Functional characterization of a mutant

(8)

NO

₃^-

NO

₃^-

N

₂

CO

₂

CO

₂

N

Thèse Delphine Moreau – 13 avril 2007 QUANTITE TOTALE D’AZOTE SURFACE FOLIAIRE

PROJETEE

BIOMASSE SOUTERRAINE

BIOMASSE TOTALE

Coefficients d’ajustement Efficience biologique

Date de début de fixation de N2 1,0

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

0 10 20 30 40

PAR (mol m^-2jour^-1)

0 1 2 3 4

0 10 20 30 40

0,0 0,5 1,0 1,5

0 10 20 30 40

(

1500 2250 3000 3750 4500

0 10 20 30 40

0,0 0,1 0,2 0,3

02 46810

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

0246 810

PAR (mol m^-2jour^-1) PAR (mol m^-2jour^-1)

PAR (mol m^-2jour^-1)

[NO3-] (mM)

[NO3-] (mM) [NO3-] (mM) 0

400 800 1200

0 246 810

Efficience de conversion de N en surface projetée

Prélèvement de N spécifique AVANT la date de début de fixation de N2

Prélèvement de N spécifique APRES la date de début de fixation de N2

[NO3-] [NO3-]

Analytical appraoch

Modelization Phenotyping

Combine approaches

Identify differences between genotypes

Interpret detected differences

+ +

**Validate in the field to handle GEM interactions**

Food for thoughts…

(9)

Plateforme de

Phénotypage Haut Débit

UMR 1347-AgroSup/INRA/uB

17 rue Sully - BP 86510 - 21065 Dijon - France

(10)

Goals

Legumes, Legumes/

Cereals

Associations Legumes,

Weeds, Cereals, Brassica

Legumes, Arabidopsis, Wine,

Tobacco, Tomato

Listeria and root tissues

GEAPSI

EcolDur IPM MERS

⇒  A variety of research objects

Large Research Unit « Agroecology »

(11)

[Co ₂ ]

… under various environmental conditions…

… of a large number of biological units, their interactions…

… at various organisational levels (organ /plant)

§  Produce plant material in characterized environmental conditions.

§  Use and develop innovative techniques for high throughput morphometry

PPHD, Missions

(12)

RILs Mutants (Tilling..)

Ecotypes

Phenotyping cabins equiped with cameras and robots

… and phenotyping equipment

Root system

VIS NIR FLUO

6 units/h

100 units/h

Licence

Small plants

Organs (seeds…) Aerial architecture

20 units/h

120 units/h 2 units/h

Germination

Analyze gene&c variability by large genotypes series,

various environmental scenarios.

(13)

Phenotyping plant architecture,

flowering,

senescence, …

Phenotyping pods and seeds

ü  Fluorescence: GFP ü  Seeds : Number, size and shape

Kroj et al. Development (2003) 130, 6065-6073

•  Mutants (Tilling..)

•  RILs

•  Ecotypes collections

CONTROLED CONDITIONS [NO3 - ] [NO3 - ] [NO3 - ]

ENVIRONMENTAL

ü  In vitro kinetic development P. sativum M. truncatula

Phenotyping roots and interactions with micro organisms

(nodules, µR), …

Example: focus on legume plants

(14)

Rhizotron (INRA-Inoviaflow EU licence)

Rotating scan

RBG Image

Imag e trea tmen t

Phenotyping Traits :

projected root area projected nodule area total nodule numbers nodule size classification total root length

….

HD Rhizotrons (1300 units planed)

….

(15)

RGB/NIR X rays MRI Thz

« analysis » window +++ ++ + ++

Analysis length 1 mn 1 mn 20 mm 2 mm

Resolu&on 1 mm 0,2 mm 1 mm 1 cm

Dangers None Ionisa&on Magne&c ﬁeld None

Price +++ ++ -‐-‐-‐ -‐-‐

Real &me +++ + +++ +++

Brief summary of root phenotyping tools

(16)

PHENOME

Phenotyping structuration: local, national

EFOR

Plateforme Phénotypage Haut Débit

Inauguration Plateforme PPHD, 6 juillet 2012, 15/11

CAQ40 ACCAF PEAMUST FUI

SERAPIS

(17)

International

LEGATO

(18)

-  Phenome: French initative (30M€)

-  EPPN: EU project(5,5 M€)

Network of multi-specific platforms

Examples of :

Infrastructures

(19)

-  Homogenous high throughput : necessitates 200 – 500 genotypes

“…make on these genotypes what we made on 10 plants…”

-  Control / measure environmental conditions encountered by plants

-  Measure traits of interest:

- « … In platforms (either controlled or field) we’ll measure only what we cannot do elsewhere … »

- reproducible / heritable / characters involved in yield (its quality), “hiden” ( RUE

rather than biomass)

- “genotypic parameters of ecophysiological models”

Network of multi-specific platforms

-  Flexibility in order to allow working on various species

Prérequisites

Infrastructures

(20)

Five field platforms

Sharing characteristics:

-  environnement sensors (soil and air) -  sensors of plant responses

-  local database

Having specificities :

-  rolling shelters = water -  FACE = [CO ₂ ]

Differents pedo-climatic conditions

Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la

Montpellier Controlled + field

Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée.

Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la réinsérer.

Dijon

Controlled + Field

Montpellier Controlled + Field

Dijon

Controlled + Field

Impossible d'afficher l'image.

Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est

Toulouse Field

Ouzouer Field

Toulouse Field

Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la réinsérer.

Clermont - Ferrand Field - FACE

- Field -

Clermont Ferrand FACE

Ouzouer Field

Phenome Infrastructure

(21)

Montpellier Controlled + field

Dijon

Controlled + Field

Montpellier Controlled + Field

Dijon

Controlled + Field

Rainout shelter Irrigation Temperature screen CO _{2 ring}

20m

Toulouse Field

Ouzouer Field

Toulouse Field

Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la réinsérer.

Clermont - Ferrand Field - FACE

- Field -

Clermont Ferrand FACE

Ouzouer Field

Phenome Infrastructure Five field platforms

(22)

PhenoArch (Montpellier)

PPHD (Dijon)

-1

Time (d)

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50 60

Pl an t b io ma ss g

Two platforms in controled conditions

Phenome Infrastructure

(23)

Autonomous and miniaturized sensors:

Pathogens pression Organ temperature, light

Consortium INRA + INRIA + polytechnique + CEA LETI

Develop new sensor and methods

Methodological projects

Phenome Infrastructure

(24)

23 Infrastructure

(25)

24 Infrastructure

(26)

High throughput phenotyping... What’s going on

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HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

High throughput phenotyping... What’s going on

Christophe Salon

To cite this version:

Christophe Salon. High throughput phenotyping... What’s going on. 2. Abstress European Meeting,

University of Essex. GBR., Dec 2013, Lecce, Italie, juin 2013, Italy. �hal-02802427�

High throughput phenotyping..

What’s going on

Christophe SALON

UMR 1347-AgroSup/INRA/uB

17 rue Sully - BP 86510 - 21065 Dijon - France

Scientific : Understand plant response to environmental factors : get a enhanced agronomic production, with a better quality, less fertilizers…

Technical : Reduce the gap between genotyping and phenotyping flows

Economic : Offer to companies the possibility to SME the possibility to access/develop tools and methods at the same level as foreign ones

Goals

Offer to the plant science communty high throughput phenotyping infrastructure :

Academic and private Research, breeding companies, technical institutes:

Platforms + asscoiated methods and tools

Caracterize large genotype series such as needed for genetic variability studies:

100x field plots- 1000x plants

Populations - varieties- mutants - GMO

Create diverse environmental scenarios including climatic changes

hydric constraints, N stress, parasites, combinations with other constraints : [CO2], temperature, …

Goals

Model

Moreau et aL. (2006), Plant, Cell and Envir., 29:1087-1098.

Moreau et aL. (2007), Plant, Cell and Envir., 30:213-224.

Moreau et al. (2008), J. Exp. Bot., 59:3509–3522.

Thèse Delphine Moreau – 13 avril 2007

QUANTITE TOTALE D’AZOTE SURFACE FOLIAIRE

PROJETEE

BIOMASSE SOUTERRAINE

BIOMASSE TOTALE

Coefficients d’ajustement Efficience biologique

Date de début de fixation de N

PAR (mol m

jour

)

PAR (mol m

jour

) PAR (mol m

jour

)

PAR (mol m

jour

)

[NO

] (mM)

[NO

] (mM) [NO

] (mM)

Efficience de conversion de N en surface projetée

Prélèvement de N spécifique AVANT la date de début de fixation de N

Prélèvement de N spécifique APRES la date de début de fixation de N

[NO 3 - ] [NO 3 - ]

Dynamic leaf area measurement

Genotypes of Medicago RIL ranked for

ability to uptake N

Before: Detect contrasted N nutritions

Adapta&ve strategy of plants faced to a N constraint

Roots Dry Weight (g) 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

Nodu les Dry W eig ht (g)

0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020

Number of nodules counted on the scan

0 200 400 600 800

Rea l nu mber of no du les

0 200 400 600 800 1000

Surface area

20 30 40 50 60 70

Root Dry W eig ht (g ro ot/ pl ant) 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

Nodules number and size, appearance

NH4NO3 10

mM -N KNO3

0.5 mM 14 days after inoculation

Split roots

[NO ₃ ^- ] [NO ₃ ^- ]

NO ₃

CO ₂ Leaf Surface

**Validate in the field to handle GEM interactions**

⇒  A variety of research objects

[Co ₂ ]

§  Produce plant material in characterized environmental conditions.

§  Use and develop innovative techniques for high throughput morphometry