Modelling of the 4D architecture of wheat : identifing patterns describing the morphology, the senescence and the spatial orientation of organs under a high range of growth conditions.
Modélisation de l’architecture 4D du blé : identification des patterns dans la morphologie, la sénescence et le positionnement spatial des organes dans une large gamme de situations de croissance
Résumé
The simulation of plant architecture has become a very active front of research because of its importance for understanding the functioning of plants and their interactions with the environment. When analysing observations of experimental treatments, it is of a great interest to be able to simulate the architecture of the crop with sufficient fidelity to represent the specific traits resulting from the experiment. In this context, the objective of the thesis project was to develop an operational model allowing to simulate the 4D architecture of a collection of individual plants for the whole crop cycle and in a way faithful to the observations. Our approach builds on the experimental characterization of a range of commercial cultivars cultivated in the Paris region. These data represent a wide range of climatic sequences, sowing dates, densities of seedlings and nitrogen fertilization. The data analysis allowed us to identify stable and robust functions that describe the dynamics of appearance and mortality and the final dimensions of the different components of the plant. Our work brings also novel information on the evolution of their geometry and spatial organisation over time. These functions were coded into a model that describes the dynamics of the architecture of a collection of plants from their emergence to their full maturity. Our reconstruction method allowed us to generate 4D reconstructions for a large part of our experimental treatments; it has also been used in several projects carried out in parallel with this work. Our model can also be used to explore potential architectures traits in order to propose new ideotypes. Finally, our modelling approach can be applied to other cereals: it provides a framework for comparing patterns of morphology and development between species and provides a tool to study, by simulation, the impact of the architectural traits of each species.
La simulation de l’architecture des plantes est devenue un front de recherche très actif, en raison de son importance pour la compréhension du fonctionnement des plantes et de leurs interactions avec l’environnement. Simuler l’architecture d’une plante au cours du temps implique de représenter la morphologie, la dynamique de mise en place et de senescence, et le positionnement spatial des différentes composantes de la plante. Ces caractéristiques sont dépendantes de l’environnement et varient d’un cultivar à un autre. Une difficulté principale des modèles architecturaux est d’assurer une flexibilité suffisante pour s’adapter à la plasticité liée aux conditions de croissances. Pouvoir simuler l’architecture d’un peuplement avec une fidélité suffisante pour simuler les traits spécifiques issus d’une expérimentation présente un grand intérêt dans l’analyse de cette expérimentation. Par exemple, ces reconstructions permettront d’accéder à des variables d’intérêt peu on non accessibles à la mesure directes et d’évaluer des hypothèses sur le fonctionnement des plantes. Couplées à des modèles physiques, ces reconstructions permettront aussi de mieux comprendre l’impact de l’architecture sur l’interception du rayonnement et de particules telles que des spores ou des gouttelettes de pesticides, ou sur la formation de signaux perçus par les capteurs en phénotypage. Ces applications sont au cœur des thématiques de l’UMR ECOSYS et intéressent Arvalis-institut de végétal qui finançait ce projet de thèse. Dans ce contexte, l’objectif de mon travail de recherche a été de développer un modèle opérationnel qui permette de reproduire par simulation l’architecture 4D d’un peuplement pour tout le cycle de culture et de façon fidèle aux observations. Notre démarche s’appuie sur la caractérisation expérimentale d’une gamme de cultivars commerciaux cultivés dans la région parisienne. Ces données représentent une gamme large de séquences climatiques, dates et densités de semis, espacements entre rangs et fertilisation azotée. L’analyse de ces données nous a permis d’identifier des patterns stables et robustes décrivant les dynamiques d’apparition et de mortalité des différentes composantes de la plante, leurs dimensions finales et leur géométrie au cours du temps. Ces patterns sont exprimés en fonction de stade de développement de la plante (Haun stage), de nombre final de feuilles ou de la position de l’organe sur l’axe. Une attention particulière a été portée à l’estimation des caractéristiques des talles à partir de celles du brin maitre. Ces fonctions ont été regroupées dans une routine permettant de décrire la dynamique complète de l’architecture d’une collection de plantes de l’émergence jusqu’à la maturité. Un protocole de mesure a été aussi défini pour estimer les paramètres avec un effort expérimental raisonnable où l’ensemble des mesures sont à réaliser sur le brin maitre.Notre méthode de reconstruction a permis de générer les reconstructions 4D d’une part importante de nos données expérimentales; elle a également été mise en œuvre dans plusieurs projets menés parallèlement à mon travail. Notre modèle peut être aussi utilisé pour explorer des architectures potentielles en vue de proposer des nouveaux ideotypes. Finalement, notre démarche de modélisation est transposable à d’autres céréales : elle fournit un cadre pour comparer les patterns de morphologie et de développement entre espèces et un outil pour étudier par simulation l’impact des traits architecturaux caractéristiques de chaque espèce.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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