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.
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