Des légumes à feuilles vertes contaminés deviennent violets

Lori Hoagland, professeur d'horticulture et d'architecture paysagère à l'Université Purdue, a utilisé l'imagerie hyperspectrale avancée pour détecter le stress des métaux toxiques dans le basilic et le chou frisé dans son travail visant à améliorer la sécurité des aliments. (Photo Université Purdue/Tom Campbell)

«Des légumes à feuilles vertes contaminés deviennent violets», source Perdue University.

Certains pourraient dire que vous avez l'air un peu vert quand vous êtes malade. Les légumes à feuilles vertes deviennent en fait violets - bien que cela ne soit pas évident pour l'œil humain, cela peut être vu grâce à l'imagerie hyperspectrale avancée (différente des variétés violettes de certains légumes). Des chercheurs de Purdue ont découvert ce changement de couleur dans le chou frisé et le basilic stressés par le cadmium, un métal lourd toxique pour la santé humaine et animale.

La nouvelle méthode de détection fait progresser les travaux visant à créer un amendement du sol qui se lie au métal et le protège des plantes, améliorant ainsi la sécurité dsw aliments des produits, des aliments pour bébés et des plats préparés.

«Il est très difficile de voir le stress des métaux lourds dans les plantes», a dit Lori Hoagland, professeur d'horticulture et d'architecture paysagère à l'Université Purdue, qui a dirigé la recherche. «Nous avons besoin de nouveaux outils pour cela. Si nous pouvons le voir rapidement et le mesurer avec précision au fur et à mesure que les plantes poussent, nous serons mieux en mesure de développer des amendements du sol qui séquestrent les métaux dangereux, ainsi que d'identifier la contamination avant qu'elle n'atteigne nos assiettes. Notre objectif est de pouvoir disposer de drones qui survolent les champs et détectent le stress des plantes dû au cadmium, au plomb et à l'arsenic.

La détection hyperspectrale est beaucoup plus rapide que les techniques d'analyse chimique traditionnelles. Il ne nécessite pas non plus la destruction de la plante analysée, ce qui permet d'étudier les plantes et les amendements du sol à différents stades de développement des plantes.

«La contamination des plantes par le cadmium est connue comme un ‘tueur silencieux’ car nous ne pouvons pas le voir et ne le testons généralement pas», a dit Hoagland, qui dirige le laboratoire d'écologie microbienne du sol de Purdue. «Les plantes souffrent lorsqu'elles sont exposées à des niveaux élevés de cadmium, mais elles ne se ratatinent pas, ne flétrissent pas et ne meurent pas. Elles semblent bien, à moins que les taux de cadmium dépassent les limites. Les plantes contaminées parviennent à maturité et à la récolte.

Le cadmium est utilisé dans les batteries et est souvent lié au phosphate extrait pour les engrais. Partout dans le monde, il et d'autres métaux lourds provenant des déchets et de la pollution s'infiltrent dans le sol et se rendent dans les fermes voisines où les cultures les absorbent. La consommation de taux élevés de cadmium peut entraîner des maladies rénales, des problèmes osseux, le cancer et d'autres problèmes de santé.

«Il est naturellement présent dans de nombreux légumes en petites concentrations, mais des niveaux élevés peuvent être dangereux», a-t-elle dit. «Nous devons particulièrement maintenir ces niveaux faibles dans les aliments pour bébés, mais c'est un problème croissant tout au long de notre chaîne alimentaire.»

Hoagland a travaillé avec une équipe de l'installation de phénotypage des semences Ag Alumni de Purdue pour trier des milliers de longueurs d'onde différentes afin de voir quelles combinaisons ont montré des changements qui indiquaient le stress des plantes par le métal. Ils ont ensuite vérifié la méthode par des techniques d'analyse chimique.

L'installation de phénotypage est équipée d'un ensemble de systèmes de phénotypage de plantes à haut débit basés sur l'imagerie que l'on ne trouve pas dans de nombreuses universités. Un phénotype est une caractéristique observable d'un organisme qui résulte de son code génétique et de ses interactions avec l'environnement. Les chercheurs commencent seulement à exploiter ses capacités, a dit Hoagland.

«Je suis entrée dans l'étude comme dans un terrain d’essai et je ne sais pas si cela fonctionnerait ou non pour ma recherche», a-t-elle dit. «J'ai été surprise par la puissance de cet outil et la quantité de données qu'il génère en peu de temps. Ces techniques d'imagerie vont nous aider à apprendre et à répondre à de nombreuses questions scientifiques.

Dans l'installation de phénotypage en environnement contrôlé, les plantes se déplacent par tapis roulant jusqu'à une station d'imagerie à des intervalles choisis par les chercheurs. Les résultats de l'équipe de Hoagland ont montré que le chou frisé accumulait des niveaux de cadmium plus élevés que le basilic dans les mêmes conditions de sol, mais que les symptômes de stress au cadmium étaient plus forts dans le basilic. Ils ont également découvert que les plantes ne présentaient un stress au cadmium qu'au début du développement.

«L'imagerie hyperspectrale comprend beaucoup plus de bandes que les bandes de couleurs rouges, vertes, bleues ou RVB que nous pouvons voir», a dit Yang Yang, directeur de la phénomique numérique chez Purdue. «La technologie est très sensible aux changements dans les plantes qui ne sont pas détectables à nos yeux.»

L'équipe a mis en œuvre un algorithme d'apprentissage automatique pour trier et classer les données.

«Grâce à notre double paire de caméras hyperspectrales, nous pouvons réaliser une détection optique à spectre complet à la fois du haut et des côtés d'une plante», a dit Yang. «Le système hyperspectral de Purdue peut être utilisé pour scanner les plantes des semis à une tige de maïs de 15 pieds (4,5 mètres). C'était la première fois que nous l'avons utilisé pour rechercher le stress lié aux métaux lourds. C'est une application passionnante et c'était un nouveau défi interdisciplinaire.

L'équipe a d'abord pensé que l'effet du stress lié à la toxicité du cadmium sur les niveaux de production de chlorophylle serait un indicateur probable, et ils ont examiné le spectre de la lumière verte. Le changement de couleur résultant était très subtil. L'équipe a progressé à travers d'autres changements liés au stress dans la plante et d'autres parties du spectre de réflectance de la plante, a dit Hoagland. Ils ont découvert que les changements dans les métabolites dus à la réponse au stress offraient un signal hyperspectral de stress beaucoup plus clair.

«L'examen de ces métabolites secondaires a donné un signal beaucoup plus fort, et il y avait un ‘violet’ clair de la plante lorsqu'elle était vue avec les longueurs d'onde d'anthocyanine correspondantes», a-t-elle dit. «Donc, si le vert diminue et que le violet augmente, nous savons que la plante est stressée.»

Hoagland et son équipe ont évalué les «indices de végétation», qui sont des combinaisons de réflectance de différentes longueurs d'onde qui ont été identifiées comme les meilleures pour l'analyse hyperspectrale des différentes propriétés des plantes. L'équipe a découvert que l'indice de réflexion des anthocyanes est le meilleur moyen de détecter le stress lié au cadmium, et ils ont développé une équation de rapport d'indice de végétation spécifique pour cela. Ils ont également développé un amendement du sol pour réduire le niveau de cadmium absorbé par la plante. Les travaux sont détaillés dans un article publié dans la revue Environmental Pollution.

«J'ai développé des amendements de sol pour aider à remédier à la pollution de l'environnement», a dit Hoagland. «Ces amendements sont différents mélanges de biochar, qui comprennent des déchets de matières organiques et des copeaux de bois spécialement traités brûlés à haute température. Ceux-ci peuvent lier les métaux lourds et réduire l'absorption en combinaison avec des processus microbiens. L'astuce consiste à trouver la bonne formulation de matières premières et de températures.

La formulation testée a légèrement diminué les niveaux de cadmium dans les plantes, a-t-elle dit. Une solution pourrait être que les agriculteurs utilisent simplement plus d'amendement, mais Hoagland prévoit de continuer à ajuster et à améliorer la formulation.

Elle prévoit également d'utiliser la méthode d'imagerie hyperspectrale pour trouver un signal clair pour le plomb et l'arsenic. «Je suis microbiologiste du sol, donc je suis généralement ce qui est salissant», a dit Hoagland. «La technologie d'imagerie avait été davantage utilisée pour évaluer les réponses à la sécheresse ou les nutriments des plantes, et mon travail était différent. Il s'agissait d'une nouvelle application pour les outils et d'une excellente collaboration entre ingénieurs et scientifiques.»

Merci à Joe Whitworth de m'avoir communiqué cette information.

Aux lecteurs du blog

A cause ou grâce à la revue PROCESS Alimentaire, vous n'avez plus accès aux 10 052 articles initialement publiés par mes soins de 2009 à 2017 sur le blog de la revue. Triste histoire de sous car la revue estime qu’elle n’a pas les moyens de maintenir la diffusion de ces articles, alors qu’elle a bénéficié de la manne de la publicité faite lors de la diffusion de ces articles. Merci de leur faire part de cette anomalie.