Phénotypage du Système racinaire

Contacts

Étudiants :

FERNANDEZ Nicolas ; nicolas.fernandez.1@etu.sorbonne-universite.fr

SACCO Nina - nina.sacco.1@etu.sorbonne-universite.fr

 

Encadrants NovaGenetics:

Morgane RAYNAL, responsable Sélection Groupe, morgane.raynal@novagenetic.com 

Salah FGAIER, chargé de projet de recherche et innovation, salah.fgaier@novagenetic.com

 

Encadrant Academique :

Emmanuel BAUDOUIN - emmanuel.baudouin@sorbonne-universite.fr

 

Objectifs

Développement d'un outil de phénotypage du système racinaire, fiable, efficace et rustique.

I. Réalisation d’une étude bibliographique et technique sur les outils de phénotypage du
système racinaire des plantes
- Réflexion autour de la conception de prototype de l’outil de phénotypage

II. Conception du prototype de phénotypage
- Proposer un protocole pour tester le prototype en conditions réelles (dans la serre de
l’université) 
- Mettre en place un essai d’évaluation de système racinaire des plantes d’une espèce
choisie
- Présenter les premiers résultats de l’essai
- Proposer des améliorations à apporter au prototype de phénotypage du système

Contexte : 

I.Avec Réalisationl’augmentation d'unede étudela bibliographiquepopulation

Mots clés: Root system architecture (RSA), Phenotyping, Root ecology, Phenomics

Introduction : 

 

Face aux problématiques environnementalesmondiale et àles unedéfis populationenvironnementaux croissante, avoisinant 9 milliards d’êtres humains d’içi 2050 (World Population Prospects- Population Division-United Nations ),croissants, il estdevient crucial de développer des cultures plus résistantes aux perturbationsconditions deextrêmes pluscomme enla plussécheresse fréquenteset (sécheresse,la salinisation des sols,sols. prolifération de bioagresseurs), et d’assurer un meilleur rendement. Depuis des milliers d’années, l’homme a pratiquéHistoriquement, la sélection des plantes agricoles afin d'obtenir des espèces domestiquées, capables de s’adapter à différents environnements  et de répondre à ses besoins. L'avènement, au XIXème siècle, des méthodes moléculaires et génétiques a permis une avancée spectaculaire pour la sélection et l’amélioration de variétés cultivables. Néanmoins, face aux grands défis du futur l'avènement de méthodes innovantes s'est nécessaire. Le phénotypage des plantes semble offrir une perspective intéressante à ces problématiques, permettant d’apporter de la précision et de la rapidité dans l’évaluation du matériel génétique nécessaire dans le processus de la création variétale. Il s’agit de l’évaluation complète de traits complexes (Croissance, tolérance aux stress,..) ainsi que la mesure de traits individuels simples participant aux traits complexes chez la plante (Li, Zhang, Huang 2014). Ce phénotypage s’est longtemps concentrée sur les phènestraits devisibles laau-dessus partiedu aérienne.sol. Pourtant,Cependant, le système racinaire estjoue essentielun àrôle tout aussi fondamental pour la croissance et au développement de la plantesurvie (Absorptiondes plantes, en assurant l’absorption de l’eau,eau et des nutriments, ainsi que la stabilisation dans le sol,sol stockageet de réserves nutritives , communicationl’interaction avec microorganismes,les prolifération,..) : une compréhension du système racinaire pourrait alors permettre des avancées encore plus importantes.  micro-organismes.

Dans cette étude bibliographique, nous chercherons ainsi à identifier les phènes du système racinaire informatifs et pertinents pour évaluer l’état de santé et la performance des plantes.  Dans une seconde partie, nous ferons un court résumé des différentes méthodes de phénotypages existantes, de leurs points forts et de leurs limites.  Nous pourrons alors conclure sur les objectifs auxquels devra répondre notre dispositif deLe phénotypage racinaire, les contraintes à considérer et les idées à mettre en place. 

1. Identification d’un idéotype 

2. Qu’est ce que le système racinaire: Pourquoi c’est important ? 

• Le rôle dans la plante 

 Le système racinaire est sensibleessentiel pour mieux comprendre les mécanismes d’adaptation et répond aux stress biotiques et abiotiques, il est aussi capable de communiquer avec la partie aérienne de la plante à travers des voies de signalisation. La morphologie et la physiologie des racines ont un impact sur la croissance et le développement des organes végétaux aériens en modifiant le transport des nutriments minéraux entre la racine et la pousse ou diverses molécules de signalisation organiques, y compris les hormones, les protéines et les ARN (Paez-Garcia & al, 2015).

• Autres rôles 

Le système racinaire contribue également à la santé du sol, c'est-à-dire à la capacité continue du sol à fonctionner comme un écosystème vivant qui assure la subsistanced’optimisation des plantes, surtout dans des animauxcontextes etenvironnementaux ainsidifficiles. Il permet de l'homme. Les racines des plantes maintiennent également le sol en place, réduisent le lessivage de l'eau et l'érosion du sol et sont essentielles pour la phytoremédiation du sol.

2. Quels sont les critères de description du système racinaire ? 

Le système racinaire peut être décrit de plusieurs manières, d’abord il existe de nombreux types de racines fonctionnellement et morphologiquement différentes : comme la racine principale (première à émerger de la graine), avec pour fonction principale l’ancrage de la plante , les racines latérales (ramifications d’autres racines), qui assurent la communication des plantes et le prélèvement des ressources, les racines provenant des bourgeons de la tige, les racines à nodules qui accumulent les ressources, et les racines provenant des hypocotyles. Les proportions de ces racines et leurs assemblages peuvent être différents et offrent une grande diversité au système racinaire (Wasaya et al. 2018).

Le plus souvent, le phénotypage du système racinaire repose sur l’architecture du système racinaire qui considère l’ensemble des racines d‘une plante (Takahashi, Pradal 2021), et se définie par la description de phènes que l’on regroupe selon 5 catégories :crire la morphologie, la topologie (la connexion des segments racinaires aboutissant souvent  à une forme embranchée), la géométrie (la position des segments dans le sol)  ainsi queet la dynamique (la croissance et le développement) (York, Lobet 2017). 

D’autres caractères morpho-anatomique sont également considérés pour caractériser les racines, et sont parmis les plus informatifs de par leur fonction, Tout d’abord, on peut s'intéresser au diamètre des racines, déterminant leur longueur et leur surface d’échange donc les capacités d'absorptions d’eau et de nutriment, mais également au nombre de poils absorbants dont le rôle est également d’augmenter la surface d'échange. On considère également l’angle d’inclinaison des racines, témoignant des capacités d’exploration (expansion latérale et enfouissement en profondeur). Enfin un paramètre de mesure important est celui de la densité racinaire en fonction de la profondeur, indicateur des stratégies d’allocation des ressources, de la longueur racinaire et d’une surface spécifique du système racinaire (Wasaya et al. 2018).

Nombreux de ces caractères cherchent à caractériser les capacités d’exploration des plantes, en effet une plante capable d’étendre sa surface dans le sol augmente la possibilité de rencontre des nutriments. D’autant plus que la capacité de rétention d’eau des sols est également liée à la végétation puisque l'évapotranspiration est souvent supérieure aux précipitations dans les sols déplétant les parties superficielles en eau (Wang et al. 2009). Les capacités de stockage de l’eau augmentent en profondeur, et pour faire face à la compétition, les plantes doivent aller chercher l’eau en profondeur. 

L’architecture du système racinaire et les caractères morpho-anatomiques sont déterminés par le génome de la plante mais également par son environnement  biotique et abiotique (Rogers and Benfey 2015). Ainsi la teneur en eau du sol, la disponibilité de nutriments, l’ensoleillement, la compétition etc influencent la structure du système racinaire lors de son développement (Mise en place des organes) mais également lors de la croissance de la plante, ce qui offre au système racinaire une forte plasticité. [(Yu, Hochholdinger, Li 2019), (Robbins, Dinneny 2015)].

Le phénotypage du système racinaire peut permettre la compréhension des mécanismes de tolérance lors de la survenue de perturbation, mais également aider à comprendre les caractéristiques adaptativesclés desqui plantes à leur milieux.

Mais cela montre aussi la complexité des études de systèmes racinaires, surtout à des fins de sélections, il faut pouvoir identifier si les variations de phénotypes sont d’origine génétique, ou si elles ne sont que le résultat de l’environnement de croissance et de développement. Il est donc important d’établir un protocole rigoureux . 

3. Intérêt du phénotypage pour la sélection racinaire

Le phénotypage racinaire est un domaine essentiel en agronomie et en écologie, car il permet de mieux comprendre les processus souterrains et d'optimiser les cultures face aux défis environnementaux croissants. Les racines jouent un rôle clé dans l'acquisition des nutriments, l'absorption de l'eau et les interactions avec le sol et les micro-organismes. En sélectionnant des idéotypes racinaires spécifiques, les chercheurs peuvent améliorerinfluencent la capacité des plantes à extraire les nutriments et à mieux résister aux conditions de sol défavorables, telles queà la sécheresse ou la faible fertilité.

Contrairement aux méthodes de sélection traditionnelles qui se concentrent sur les traits aériens, le phénotypage racinaire permet de surmonter certaines limites. McGrail et al. (2020) soulignent qu'il existe une méconnaissance des liens entre les traits racinaires et aériens, ce qui peut limiter l'efficacité des programmes de sélection. De plus, certaines caractéristiques racinaires favorisant l'efficacité d'acquisition des nutriments (NAE) ont pu être négligées ou même sélectionnées de manière négative, en particulier dans des systèmes à forted’autres intensité d'intrants (Lynch, 2007).

L'efficacité d'acquisition des nutriments par les racines, notamment leur longueur et leur capacité à explorer le sol, est essentielle dans les environnements soumis à des contraintes (Bu et al., 2017). Les racines ajustent leur croissance en fonction de la disponibilité des ressources dans le sol, ce qui leur permet de s’adapter aux variations environnementales, telles que celles causées par le changement climatique. Ce dernier exacerbe la dégradation des sols et réduit les rendements agricoles, notamment dans les régions en développement (Lynch, 2021).

Ces connaissances sur les systèmes racinaires sont précieuses pour les programmes de sélection végétale, car elles permettent de développer des variétés plus résilientes et efficaces dans l'utilisation des ressources, contribuant ainsi à une agriculture durable. L'un des objectifs clés du phénotypage racinaire est d'identifier les gènes impliqués dans les processus d'adaptation et de tolérance des plantes. En agriculture, les plantes doivent satisfaire à des critères de qualité nutritive, de rendement et de résilience.stress. Identifier les traits racinaires quipertinents favorisentpourrait cesainsi caractéristiques offrirait des cibles concrètes pouraccélérer la création de variétés amélioréesagricoles (Paez-Garciaplus performantes et al.,durables.

2015

Les ;défis Meisterde sélection en Afrique subsaharienne, une région particulièrement vulnérable au changement climatique, sont exacerbés par les sécheresses fréquentes et al., 2014). Cependant, l'étude de traits complexes, sous l'influence de nombreux gènes, reste unla défi en raisongradation des difficultés liées au phénotypage (Li, Zhang, Huang, 2014).sols. Il est donc crucial de comprendre l'impactd'identifier des manipulationsidéotypes génétiquesracinaires suradaptés lesà phénotypesces environnements, capables d’explorer en profondeur pour évalueraccéder leà rôlel’eau des gènes concernés.

Enfin, au-delà des programmeset de sélection, le phénotypage racinaire permet également d'explorer les variations naturelles des systèmes racinaires au sein des populations végétales (Paez-Garcia et al., 2015).

4. Les contraintes en Afrique Sub-saharienne et changement climatiques 

Le système racinaire est très plastique et dépend fortement de l’environnement, ainsi la caractérisation d’un système racinaire idéal doit être étudiée selon l’environnement cible (Takahashi, Pradal 2021).  Dans le cadre de ce projet, la sélection variétale se destine à des plantes potagères en Afrique subsaharienne.

La région de l’Afrique subsaharienne (ASS) compte plus de 950 millions d’habitants, soit environ 13 % de la population mondiale. D’ici à 2050, cette part devrait passer à près de 22 %,soit 2.1 milliards de personnes. La sous-alimentation est un problème de longue date  dans la région, 23 % de la population en 2014-16 est sous-alimentée. La région de l’Afrique subsaharienne est particulièrement sujette à des sécheresses récurrentes. Entre 1990 et 2013, près de 43% des sécheresses enregistrées dans la base de données EM-DAT1 ont eu lieu en ASS. Les projections climatiques semblent indiquer quelles précipitations seront de plus en plus variables en ASS dans la décennie à venir, ce qui aura un effet sur la sécurité alimentaire. L’Afrique Subsaharienne est, en effet, la région du monde la plus vulnérable aux changements climatiques. La hausse des températures et les anomalies pluviométriques augmentent la fréquences de catastrophes naturelles et modifient la géographie de la région (GIEC, 2018 ; Perspectives de l’économie mondiale, octobre 2017, chapitre 3). Les conséquences de telles sécheresses peuvent impacter fortement le rendement agricole, d’autant plus s’il a lieu au stades critiques du développement (Accumulation de réserves dans les graines et pousse)  (Richard et al. 2015).

Il faut aussi considétolérer des phénomènes comme la diminution de fertilité et la salinisation des sols, témoins de la dégradation des sols duspauvres en grandenutriments. partieDes auxcritères pratiques d’agricultures intensives (AFSA (Alliance for Food Sovereignty in Africa)).  

 La création des nouvelles variétés est alors essentielle pour répondre à ces défis. (OCDE, Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture 2016)

5. Quels sont les phènes pertinents à l’étude du système racinaire ? Etablissement d’un idéotype 

 

La notion d’ideotype renvoie à la combinaison de traits phénotypiques favorables au au rendement de plantes agricoles (Donald (1968)). Dans notre cas, l'idéotype à sélectionner doit pouvoir répondre à des problématiques de rendement, de tolérance à la sécheresse  et de qualité nutritive. Ainsi il faut identifier des phènes utiles dans l’exploitation et l'exploration des sols (York, Nord, Lynch, 2013). 

Certaines caractéristiques racinaires, telles quecomme la profondeur des racines, sont particulièrement recherchées dans des environnements soumis à des périodesl’angle de sécheresse. 

Les systèmes racinaires profonds permettent d'extraire l'eau des couches plus profondes du sol, contribuant ainsi à l'évitement du stress hydrique (Sharma et Carena, 2016 ; Wasaya et al., 2018). À l'inverse, dans les sols où la disponibilité du phosphore est limitée, des racines avec une forte ramification en surface sont nécessaires pour maximiser l'absorption des nutriments (Brown et al., 2013). Cela illustre l'importance de sélectionner des phènes adaptés à des conditions spécifiques, mais également de favoriser des systèmes racinaires plastiques capables de s'ajuster rapidement à des variations environnementales (Paez-Garcia, 2015).  

Ainsi un idéotype de qualité doit être adapté aux contraintes de son environnement et posséder une plasticité permettant de répondre aux perturbations qu’il peut rencontrer. Pour appuyer les données collectées individuellement, il peut être intéressant de construire des modèles répondant à ces problématiques.

Ces caractéristiques ne vont pas nécessairement de paire puisqu’il s’agit d’un équilibre dans l’allocation du carbone au développement : favoriser le rendement limite le développement racinaire et inversement (Bu et al. 2017). Un exemple pertinent est l'architecture racinaire « steep, cheap, and deep » proposée par Lynch (2019), qui optimise l'absorption de l'eau en profondeur tout en minimisant les coûts métaboliques. 

Pour répondre à des problèmes de sécheresse, l’idéotype idéal a été caractérisé par des racines profondément pénétrantes, un angle large et un diamètre adapté, ce qui semble permettre une meilleure tolérance sans compromettre le rendement offre (Saengwilai et al., 2014 ; Slack et al., 2018). Cet d'idéotype est particulièrement pertinent dans des environnements soumis à des contraintes hydriques importantes, comme c'est souvent le cas en Afrique subsaharienne.En particulier, les racines fines augmentent l'absorption d'eau et de nutriments, tandis que les racines nodales exploitent l'eau des précipitations tardives, jouant un rôle crucial dans les environnements soumis à un stress hydrique. De plus, l'angle des racinescroissance et la densité des tissus racinaires contribuent à une croissance plus profonde, ce qui améliore les performances des plantes en période de stress (Wasaya et al., 2018). Ainsi, une architecture racinaire vigoureuse,apparaissent avecparticulièrement une forte densité de racines en profondeur, est essentielle pour maximiser l'absorption d'eau et stabiliser les rendements sous conditions de sécheresse.

• Salinité : 

La détermination d’un idéotype des plantes face au stress salin est crucial pour maximiser leur tolérance dans des environnements salins. Les racines sont les premières à détecter la salinité, initiant une réponse en deux phases : d'abord un stress osmotique qui limite l'absorption d'eau, suivi d'un stress ionique affectant l'équilibre nutritionnel. La plasticité de l'architecture racinaire (RSA) est essentielle, avec des ajustements dans la croissance de la racine principale et le développement des racines latérales (RL). Un stress salin élevé peut arrêter la croissance des racines, tandis que des niveaux modérés peuvent stimuler leur développement, démontrant l'importance d'une RSA adaptableimportants pour la survie en conditions salines . (Gandullo, 2021). Chez la tomate, le stress salin entraîne également la salinité une réduction significative de la taille de la zone apicale et une forte augmentation de la taille de la zone basale de la racine principale.sélection.

Ainsi

• Absorption des nutriments (P, etc) :

Souvent, comme pour l’eau,  la longueur des racines est utilisée comme indicateur de la capacité des plantes à absorber les nutriments présents en profondeur dans le sol (Bu et al., 2017). D’autres paramètres comme l’aérenchyme cortical, un espace d’air formé par apoptose peuvent favoriser l'absorption des nutriments en diminuant la respiration des cellules corticales (Postma et Lynch, 2011). La  taille et le nombre de cellules corticales influencent l'efficacité des racines à tolérer des contraintes environnementales comme l'excès d'eau dans le sol (Yamauchi et al., 2021). Cependant, les racines ajustent dynamiquement leur croissance en fonction de la disponibilité des ressources. En réponse à une baisse des niveaux de nutriments tels que l'azote et le phosphore, certaines plantes peuvent réduire la longueur des racines et augmenter leur surface, (Ryser et Lambers, 2001). 

• Agressions biotiques :

L'infection par des nématodes entraîne un gonflement des racines, une augmentation précoce de la longueur des poils racinaires, et une densité accrue de ces poils après 10 jours. L'architecture dunotre système racinaire (RSA) est initialement stable, mais à partir de 30 jours après l'inoculation, les racines deviennent courtes, formant une structure dense et désorganisée.

 

Généralement, le nombres de racines nodales et les angles de croissances de la plante sont corrélés à la biomasse aérienne et au rendement. (Saengwilai et al. 2014, Slack et al. 2018, Wasson et al. 2012).

Il est essentiel de considérer l’interaction entre les phènes qui souvent se développent ensemble, on parle de modules de phènes, c’est le cas entre la longueur et la densité des poils racinaires, ou entre l'aérenchyme cortical et le nombre de racines nodale ou encore entre l’angle de croissance racinaire et la longueur et densité des poils absorbants. Co-sélectionner ces combinaisons de traits complémentaires permet de maximiser l'efficacité des plantes face à divers stress environnementaux.  (York, Nord, Lynch, 2013).

Ainsi il est difficile de conclure sur un idéotype spécifique, il faut tester l’ensemble de ces données bibliographie empiriquement et par l’utilisation de modèles théoriques pour pouvoir identifier l’idéotype d’une espèce donnée soumises à des conditions spécifiques. Cependant certains critères phénotypiques semblent être redondants et semblent pouvoir répondre à plusieurs contraintes environnementales. Nous avons donc choisis de garder  la profondeur racinaire,et les angles de croissance qui interviennent dans plusieurs des mécanismes de tolérances des plantes

6. Le choix de la tomate 

La tomate est une espèce de plantes herbacée de la famille des Solanacées. La tomate est le deuxième légume le plus cultivé et consommé dans le monde (Frusciante et al., 2000; Willcox et al., 2003). Cette plante potagère est l’une des espèces d'intérêt de la start-up NovaGenetic. Les tomates possèdent des taux de consommation d'eau élevés en raison de taux de transpiration élevés (Cantero-Navarro et al., 2016) et sont cultivées dans des environnements (serre et plein champ) et des régimes d'arrosage très divers (irrigation par sillons et goutte à goutte) (Du et al. ., 2017 ; Hui et coll., 2017 ; Wei et coll., 2017). L’espèce est sensible au déficit hydrique, même lorsque le potentiel hydrique du sol est faible (> -0,3 bar) (Babalola et Fawusi, 1980 ; Rudich et al., 1977). Étant donné que la disponibilité en eau devrait diminuer dans un avenir proche, il est nécessaire de comprendre comment les cultures commercialement importantes (telles que les tomates) réagissent aux changements dans la disponibilité en eau du sol (Blum , 2009). La tomate possède un temps de germination court d’environ 1 semaine à 22°C, permettant l’analyse du système pendant le temps du projet.

2. Méthodes phénotypage racinaire préexistantes 

3. Une discipline récente

Pourquoi étudié que récemment ?

L'étude du phénotypage du système racinaire estdoit relativement récente, remontant aux années 1960. Bien que le système racinaire soit crucial pour le bon fonctionnement des plantes, il a longtemps été négligé au profit de la partie aérienne, beaucoup plus facile d'accès. Cette prédominance des études sur la partie aérienne s'explique par les défis techniques posés parpermettre l'observation et l'évaluation des racines, qui sont enfouies dans le sol et donc difficiles à visualiser sans les endommager. L'extraction des racines nécessitede plant de retirer le substrat, un processus souvent destructif et imprécistomates (Takahashi et Pradal, 2021).

Le développement de méthodes de phénotypage racinaire a progressé lentement en raison de ces difficultés techniques. Des méthodes destructives, comme l'excavation et le lavage des racines, étaient couramment utilisées, mais elles restaient laborieuses et imprécises. Ce n'est que récemment que des techniques non destructives, telles que l'imagerie 3D, la tomographie et l'utilisation de rhizotrons, ont permisPlantes d'améliorer considérablement la visualisation et l'analyseintérêt de l'architecture racinaire (Lynch et Wojciechowski, 2015).

Un autre défi dans le phénotypage racinaire est la plasticité des racines. Contrairement aux parties aériennes, l'architecture des racines est extrêmement sensible aux conditions environnementales. Cette plasticité, qui leur permet de s'adapter aux variations du sol, de la disponibilité en eau et des nutriments, rend difficile l'identification d'un "phénotype racinaire idéal"entreprise). Le système racinaire est donc plus complexe à modéliser, car son développement est largement influencé par des facteurs extérieurs (Lynch et Wojciechowski, 2015).

Les premiècritères études systématiques sur l'architecture racinaire et sa plasticité ont émergé dans les années 1990 et 2000, avec des travaux visant à mieux comprendre la croissance des racines et leur capacité à s'adapter à des conditions variables (Ana et al., 2015). Des chercheurs comme Lynch et Wojciechowski (2015) ont approfondi ces aspects pour identifier des traits racinaires pouvant améliorer la tolérance des plantes à des environnements stressants. Par la suite, d'autres travaux ont permis de mieux caractériser la variation naturelle existant dans l'architecture racinaire pour sélectionner des traits bénéfiques aux cultures, tels que ceuxnous favorisantavons uneretenus meilleuresont absorption des nutriments ou une meilleure résilience en conditions de sécheresse (Valarmathi et al., 2018b; Valarmathi et al., 2020).

De nos jours,: l'intérêt pour le phénotypage racinaire continue de croître, car les chercheurs reconnaissent son rôle fondamental dans l'amélioration des rendements agricoles, en particulier dans un contexte de changement climatique et de dégradation des sols. Grâce aux progrès technologiques, des méthodes plus précises et moins invasives, telles que l'imagerie 3D, la modélisation numérique et les approches génomiques, ont émergé, permettant d'élargir considérablement nos connaissances sur le phénotypage racinaire et d'intégrer ces informations dans les programmes de sélection végétale (Takahashi et Pradal, 2021 ; Lynch et Wojciechowski, 2015 ; Valarmathi et al., 2020).

2. Méthodes actuelles et leur limites 

• Le milieu d’étude et les méthodes associées

Le phénotypage racinaire peut être réalisé dans différents environnements, chacun offrant des avantages et des limitations spécifiques. Selon les objectifs, le choix du milieu  peut être entre des milieux contrôlés, comme les laboratoires et les serres, ou des milieux plus naturels, comme les champs. Ces différents contextes influencent la précision des mesures et la représentativité des résultats vis-à-vis des conditions réellesangle de croissance des plantes.

1. Phénotypage en laboratoire

Le milieu de laboratoire permet un contrôle rigoureux des conditions de croissance des plantes (lumière, température, humidité, nutriments). Ce contrôle strict permet de réduire les sources de variation et facilite la reproduction des expériences.

Les systèmes de culture en laboratoire incluent souvent l'utilisation de milieux de croissance artificiels comme l'agar ou des solutions hydroponiques. Ces méthodes sont non seulement utiles pour observer directement l'architecture racinaire, mais elles facilitent également l'imagerie en 2D ou en 3D, comme la microscopie, la tomographie ou les techniques d'imagerie à haute résolution. Par exemple, les études en milieux transparents tels que le gel ou l'agar permettent une visualisation continue des racines dans des conditions bien définies, rendant possible la quantification de traits comme la longueur, le diamètre, ou la ramification des racines (Takahashi et Pradal, 2021).

Cependant, l'un des inconvénients majeurs du phénotypage en laboratoire est le manque de représentation fidèle des conditions naturelles. Les racines cultivées dans des milieux artificiels peuvent ne pas développer les mêmes adaptations que dans le sol. Par conséquent, bien que les études en laboratoire permettent des analyses précises, leurs résultats doivent être interprétés avec prudence en ce qui concerne la performance des plantes en conditions réelles.

2. Phénotypage en serre (greenhouse)

Les serres, ou "greenhouses", offrent un compromis entre les conditions contrôlées du laboratoire et la variabilité des environnements naturels. Dans ces espaces, les plantes peuvent être cultivées dans des pots remplis de sol ou de substrat artificiel, sous des conditions régulées de lumière, de température, et d'humidité.

Le phénotypage racinaire en serre est souvent effectué dans des systèmes en pots ou en rhizotrons, qui permettent de visualiser et de mesurer les racines tout en simulant plus précisément des conditions naturelles qu'en laboratoire. Les rhizotrons, qui sont des conteneurs avec des fenêtres transparentes pour l'observation des racines, sont largement utilisés pour analyser le développement racinaire en fonction de l'humidité et de la fertilité du sol.

Les serres permettent également d'effectuer des expériences de stress environnemental contrôlé, comme la sécheresse ou la carence en nutriments, pour évaluer la plasticité racinaire. Cependant, les contraintes physiques des pots limitent la profondeur et l'étendue des racines, ce qui peut influencer la dynamique racinaire et réduire la représentativité des résultats pour les cultures en plein champ.

3. Phénotypage en plein champ

Le phénotypage racinaire en plein champ est le plus représentatif des conditions réelles, car il prend en compte l'ensemble des interactions complexes entre les plantes et leur environnement (climat, sol, biologie du sol, etc.). En milieu naturel, les racines sont exposées à une plus grande variabilité des conditions, ce qui permet d'étudier leur adaptation aux stress abiotiques et biotiques dans un contexte réaliste. Cependant, les techniques de phénotypage en champ présentent d'importants défis pratiques.

Les méthodes destructives, comme l'excavation des racines et le lavage, sont largement utilisées dans les études en plein champ pour mesurer l'architecture racinaire. Bien que ces techniques permettent de capturer des données précieuses sur le développement des racines, elles sont laborieuses, difficiles à reproduire, et peuvent entraîner des pertes de structures racinaires fines, altérant ainsi la précision des résultats.

Pour pallier ces limitations, des technologies d'imagerie non destructives, telles que la tomographie par rayons X ou la géophysique électromagnétique, commencent à êdiamètre utilisées pour visualiser les racines en pleine terre sans les excaver. Ces techniques offrent une perspective nouvelle, bien qu'elles soient encore coûteuses et techniquement complexes à mettre en œuvre dans les grands champs.

En dépit de ces contraintes, le phénotypage en champ reste essentiel pour valider les résultats obtenus en laboratoire ou en serre, car il reflète les véritables performances des racines dans des environnements agricoles variés. (Lynch, 2021).

10) Monolithes  : La méthode des monolithes consiste à insérer dans le sol des boîtes ou cylindres ouverts à la base pour prélever un bloc de sol intact avec les racines. L'extraction est souvent difficile, surtout dans des sols durs, nécessitant parfois l'utilisation d'outils comme des marteaux ou des pelleteuses. Cette technique permet d'analyser la distribution des racines dans le sol de manière relativement intacte, mais elle est laborieuse et destructrice.

4. Les méthodes basées sur l’imagerie/ in situ 

Les méthodes in situ, de plus en plus utilisées dans le phénotypage racinaire, sont des techniques non-invasives qui permettent d’étudier le phénotype racinaire en temps réel, sans perturber l'environnement naturel des racines. Elles offrent une précision élevée et une analyse dynamique de la croissance des racines. Bien que toujours en développement, ces méthodes représentent un enjeu important pour mieux comprendre l’architecture racinaire dans des conditions contrôlées et naturelles (Li et al., 2022).

a) Plateforme de phénotypage racinaire en 2D

La méthode 2D est l'une des plus répandues et consiste à utiliser un système combinant un environnement de croissance (en sol ou sans sol), un dispositif d’imagerie et un logiciel de traitement des images (Paez-Garcia et al., 2015). Les racines sont généralement cultivées sur une surface plane, permettant ainsi de capturer des images en deux dimensions. Cette approche est divisée en deux catégories : les systèmes de culture en sol et les systèmes sans sol, tels que l'hydroponie. L'avantage de la 2D réside dans sa simplicité et son faible coût, mais elle reste limitée par l'absence de profondeur et de perspective spatiale complète, ne permettant pas d'obtenir une vue globale de la distribution des racines dans le sol . Les caractéristiques racinaires accessibles via cette méthode, comme la longueur ou la densité des racines, sont utiles mais insuffisantes pour saisir toute la complexité des interactions racinaires en conditions naturelles.

b)  Plateforme de phénotypage racinaire en 3D

Avec les récentes avancées technologiques, les plateformes de phénotypage racinaire en 3D ont émergé comme une alternative plus complète. Des techniques telles que la tomographie à rayons X (Lobet et al., 2015), la résonance magnétique et le scanner laser permettent de reconstruire digitalement les racines en trois dimensions, révélant non seulement leur architecture globale, mais aussi la façon dont elles explorent le sol en profondeur. Cette approche permet d'analyser la densité des racines, leur angle de croissance et leur distribution dans le volume du sol avec une grande précision (Meister et al., 2014). Bien que cette méthode soit plus coûteuse et nécessite un matériel sophistiqué, elle fournit des informations précieuses, particulièrement dans les environnements de croissance où la structure racinaire joue un rôle critique dans la tolérance au stress hydrique ou nutritionnel (Lynch, 2021).

1.  Logiciels de traitement d'images racinaires

Les plateformes 2D et 3D s'accompagnent généralement de logiciels dédiés, qui permettent de traiter et d’analyser les images de manière quantitative. Des logiciels tels que RootPainter ou WinRHIZO sont utilisés pour extraire des données précises, telles que la longueur totale des racines, la surface racinaire, ou encore le nombre de ramifications. Ces outils permettent une analyse à grande échelle, facilitant l’étude de grandes populations végétales dans des études à haut débit. Ces logiciels offrent également des possibilités d'automatisation, ce qui les rend particulièrement utiles pour les études sur des milliers de spécimens (Li et al., 2022). Cf “Table 2 : Overview of currently available root image analysis software.” (Li & al, 2022)

Conclusion 

1. Objectifs du dispositif 

Le dispositif doit pouvoir rester simple et peu coûteux à mettre en place. Il doit permettre d’identifier les paramètres de profondeur, de diamètre racinaire et d’angle de croissance, et ne doit donc pas influencer leur développement. 

2. Idées à mettre en place 

 Le dispositif pouvant répondre à ce problème serait de faire pousser les plants de tomates entre 2 plaques de plexiglasse, dont l’une présentant des clous afin de maintenir au mieux la disposition des racines (Figure A). Ainsi nous pourrons visualiser une structure racinaire en 2D, et mesurer nos 3 critères de sélection.