# PHENOPSIS Quelles évolutions technologiques du premier automate de phénotypage des plantes?

Myriam Dauzat, Anaëlle Dambreville, Justine Bresson, Denis Vile, Bertrand Muller, Vincent Negre, Garance Koch, François Vasseur, Alexis Bediee, Maxence Desigaux, et al.

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## To cite this version:

Myriam Dauzat, Anaëlle Dambreville, Justine Bresson, Denis Vile, Bertrand Muller, et al. PHENOPSIS Quelles évolutions technologiques du premier automate de phénotypage des plantes?. Cahier des Techniques de l'INRA, 2016, 89, 17 p. hal-01602445

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Submitted on 27 May 2020

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# PHENOPSIS
Quelles évolutions technologiques du premier automate de
phénotypage des plantes?

Myriam Dauzat<fnref n="1" />, Anaëlle Dambreville<fnref n="1" />, Justine Bresson<fnref n="1" />,<fnref n="4" />, Denis Vile<fnref n="1" />, Bertrand Muller<fnref n="1" />, Vincent Nègre<fnref n="1" />, Garance Koch<fnref n="1" />, François Vasseur<fnref n="1" />,<fnref n="3" />, Alexis Bédiée<fnref n="1" />, Maxence Desigaux<fnref n="2" />, Denis Fourré<fnref n="2" />, Christine Granier<fnref n="1" />

**Résumé.** Afin de répondre aux besoins de phénotypage à haut débit dans le domaine végétal, le LEPSE (Laboratoire d'Ecophysiologie des plantes sous stress environnementaux) et la société Optimalog ont mis au point dès 2002 PHENOPSIS, un des premiers automates de phénotypage des plantes pour cultiver et suivre la croissance en pots de centaines de plantes de l'espèce modèle *Arabidopsis thaliana* et ce à des niveaux de déficit hydrique du sol contrôlés. Depuis, PHENOPSIS a été utilisé comme outil de phénotypage dans plusieurs dizaines de publications. En parallèle, l'outil a évolué à la demande des utilisateurs pour élargir la gamme de mesures phénotypiques, accroître la sécurité des utilisateurs et améliorer la traçabilité et la fiabilité des données. Cet article fait le point sur ces évolutions.

**Mots clés** : automate, écophysiologie, flexibilité, phénotypage haut-débit, sécurités, type de mesures.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Photo 1.** (a) vue générale de PHENOPSIS ; (b) interface de PHENOPSIS (Photos : INRA).</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ INRA-LEPSE, 2 place Viala, 34060 Montpellier cedex, France
myriam.dauzat@supagro.inra.fr</footnote>

<footnote n="2">² OPTIMALOG, SARL, 2 rue de la Fontaine de Mié, 37540 Saint Cyr sur Loire, France</footnote>

<footnote n="3">³ adresse actuelle : CEFE, 1919, Route de Mende, 34090 Montpellier, France</footnote>

<footnote n="4">⁴ adresse actuelle : Geschwister-Scholl-Platz, 72074, Tübingen, Germany</footnote>
Introduction

Le Laboratoire d'Ecophysiologie des plantes sous stress environnementaux (UMR INRA-Supagro, LEPSE,
Montpellier) s'intéresse particulièrement à la réponse de la croissance foliaire et de la transpiration des plantes
aux conditions environnementales, en particulier au déficit hydrique du sol.

Au début des années 2000, le LEPSE a décidé d'investir fortement sur la plante modèle *Arabidopsis thaliana*
pour pouvoir accéder à de larges ressources génétiques (populations d'accessions, mutants). Maîtriser l'état
hydrique de centaines de plantes dans des conditions contrôlées devenait une nécessité et, en 2002, les
techniciens et ingénieurs du LEPSE, associés à l'entreprise APILOGIC (aujourd'hui OPTIMALOG,
http://www.optimalog.com/) ont mis au point un automate, PHENOPSIS, capable d'ajuster l'humidité du sol dans
un dispositif de plus de 500 pots. L'automate repose sur un bras mobile x-y et un vérin pneumatique capable de
soulever une balance sous chacun des pots et de commander un arrosage à la carte. Cet automate est installé
dans une chambre de culture de 5 m², contrôlée par une centrale d'acquisition de données Campbell CR10X.

Aujourd'hui le LEPSE héberge trois PHENOPSIS dans trois chambres de culture, et la société Optimalog, forte
de son expérience sur PHENOPSIS a implanté un PHENOPSIS en Belgique, conçu la plateforme de
phénotypage Héliaphen à Toulouse et construit aujourd'hui un nouveau PHENOPSIS à Toulouse. Ce dernier a
pu bénéficier des dernières évolutions technologiques de l'outil développées au LEPSE.

Les principales évolutions concernent :

✓ de nouveaux outils de gestion des images et données (Fabre et al., 2011, Fabre et al., 2008) ;

✓ des dispositifs de sécurité pour assurer la fiabilité des mesures et la tranquillité des utilisateurs ;

✓ l'ajout de nouvelles fonctionnalités pour répondre aux besoins des chercheurs.

Cet article vise à faire le point sur les évolutions d'un outil aujourd'hui mondialement reconnu (l'article Granier et
al., 2006 est cité 307 fois et 34 articles ont utilisé des données issues de cette plateforme), partie intégrante de
l'ensemble Montpellier Plant Phenotyping Platforms (M3P), labélisé IBiSA et membre du réseau PHENOME
(https://www.phenome-fppn.fr/). Il devrait aider les porteurs de futurs dispositifs de phénotypage et/ou imagerie
de plantes à haut débit à établir un cahier des charges le plus complet possible. Il peut aussi susciter des idées
d'expérimentations et pourquoi pas d'accueil sur notre plateforme ouverte vers l'extérieur et accessible au travers
de projets (voir notre page décrivant les conditions d'accès sur le site http://www6.montpellier.inra.fr/lepse/M3P).

Rappel de la description technique et des fonctions primaires de PHENOPSIS
(Dauzat et al., 2004)

PHENOPSIS est constitué d'un cadre principal fixe (4,17 x 1,46 m), et d'un portique mobile muni de capteurs se déplaçant en X et Y. Le cadre fixe supporte 14 plateaux en aluminium, amovibles percés de trous pour permettre à un total de 504 pots de prendre place. Cet ensemble est situé dans une chambre de culture dans laquelle l'utilisateur peut entrer (Photo 2), mais peut difficilement manipuler pour ses expérimentations puisque seuls quelques centimètres séparent le bord de l'automate des parois de la chambre. Cet automate pourrait être conçu et adaptable dans un autre environnement (serre, chambre plus grande: pouvoir circuler autour de l'automate serait l'idéal pour faciliter les prélèvements, ou les traitements plus fins de chaque pot).
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Photo 2.** Récolte dans PHENOPSIS (Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>

PHENOPSIS comportait en 2002 une balance, une pompe péristaltique, un tuyau d'irrigation et une caméra afin de peser, irriguer les pots en fonction d'un poids cible déterminé et permettre la mesure non-destructive de la surface foliaire des plantes au quotidien (voir **Annexe 2**, logigramme d'origine).

## De nouvelles fonctionnalités ont été nécessaires

Au cours des années, il est apparu un besoin de plus en plus important de formation, une meilleure fiabilité et traçabilité des mesures. Des sécurités ont ainsi été rajoutées pour permettre aux expérimentateurs une meilleure confiance.

## Un accueil personnalisé

Chaque utilisateur reçoit une formation sur le fonctionnement de l'automate à plusieurs niveaux suivant son implication et son degré de présence sur l'outil. Un livret d'accueil lui est délivré avec une validation des points de formation ainsi qu'une liste de contrôles à effectuer au démarrage de l'outil, en début et en cours d'expérimentation. Un accès à la base de données lui est attribué pour son expérimentation.
## Sécurités mécaniques

Dès l'ouverture d'une porte de la chambre de culture une sécurité entraîne une interruption immédiate du
déplacement du portique mobile. Une action manuelle (déblocage du bouton de sécurité) et une action via l'écran
de supervision sont alors nécessaires pour réarmer et redémarrer l'automate.

## Sécurités logicielles et informatiques

Des alertes sms ou mail peuvent être reçues par les expérimentateurs pour :

* ✓ le climat des chambres*: des valeurs maximum et minimum de chaque variable (température, humidité relative, rayonnement) sont définies pour le jour et la nuit et une alerte peut être envoyée en cas de dépassement ou de non atteinte des consignes ;

* ✓ la qualité des images*: une image RGB noire signifie qu'un cycle d'imagerie a été programmé la nuit par erreur ou que la caméra est en défaut ou que les lampes sont éteintes par erreur. La taille du fichier image sert de référence pour le déclenchement de cette alerte ;

* ✓ tout défaut mécanique**: celui-ci donne lieu à un message d'erreur sur l'écran de supervision de l'automate. Ce même message peut être envoyé par sms et/ou par mail à plusieurs adresses électroniques ou numéros renseignés.

Un message par sms est également envoyé dès la fermeture de l'application, ou si l'ordinateur est éteint (orage, fin d'autonomie de l'onduleur, arrêt volontaire ou non...).

## Une maintenance à distance

A tout moment il est possible de se connecter sur l'écran de l'ordinateur dédié à l'automate et de contrôler ce dernier à distance depuis un ordinateur ou un Smartphone distant grâce à un accès OpenVPN. Cette action peut être faite pour un simple contrôle, ou pour constater et visualiser un défaut pour lequel une action corrective pourra être apportée à distance ou nécessitera un déplacement.

La société Optimalog assure aussi la maintenance et la mise à jour logicielle par cet accès.

## Sécurités sur les pesées

L'usage initial de PHENOPSIS est de peser chacun des pots afin qu'il soit comparé à un poids cible et arrosé de façon automatique par le déclenchement d'une pompe péristaltique. Si le principe reste simple, l'utilisation au cours du temps nous a montré de multiples sources d'erreurs possibles, le plus souvent bloquantes et décelables à l'exploitation des données. Nous essayons aujourd'hui de les anticiper.

Une première source d'erreur concerne la pesée des pots. Si un pot est mal pesé il sera mal irrigué car l'estimation de la quantité de solution à apporter (poids cible programmé-pesée) sera fausse.

<footnote>* L'interface pour ces deux points a été conçue en interne par les informaticiens du LEPSE.</footnote>

<footnote>** Pour ce dernier type de défaut, les temps de latence avant l'envoi sont définis par l'utilisateur. Deux temps sont disponibles, fonction de l'interruption volontaire ou non de l'automate. Cela permet de limiter l'envoi de messages.</footnote>
✓ Sous chacun des pots, une tare de la balance a lieu.

✓ Un pot physiquement absent mais déclaré présent sera pesé à 0 g (1). PHENOPSIS contrôlera alors la pesée pour confirmer. Il n'arrosera pas ce pot.

✓ On définit également un poids minimal, ou un % du poids cible en dessous duquel il ne pourra pas y avoir d'arrosage.

✓ Un temps de stabilisation maximal est aussi paramétrable. Un temps long peut signifier un contact du pot à son alvéole et donc une stabilisation de la balance impossible. Ce temps dépassé, l'automate passera au pot suivant sans apporter d'eau.

✓ Un temps minimal de stabilisation de la pesée défini dans des variables est également déterminé si une action s'avère nécessaire en position de pesée (vérification du centrage quelquefois nécessaire pour des pots très lourds ou volumineux).

✓ En fin de cycle, un retour (ou non, suivant la consigne) de l'automate sur les pots pesés nuls ou mal pesés pour les raisons précédentes permettra un nouvel essai.

Les poids contrôlés sont enregistrés, donc tracés.

## Sécurités sur les irrigations

Tout comme sur les pesées, des erreurs sur les apports d'eau peuvent avoir lieu :

✓ une masse d'eau maximale à apporter pour chaque pot lors de chaque cycle est définie. Des masses maximales différentes sont programmables en fonction de la pompe utilisée et du type de cycle. Il est possible que cette masse maximale soit inférieure à la masse de solution nécessaire pour atteindre le poids cible du pot. Cela peut être une volonté de l'utilisateur de ne pas sur-arroser une plante trop brutalement ou une erreur d'évaluation des besoins de la plante. Une alerte en cas de limitation de la masse d'eau imposée (calculée) ne permettant pas de répondre à la consigne d'humidité du pot est alors envoyée par message électronique (3).

Les pots peuvent être contrôlés après irrigation :

✓ le pourcentage de pots contrôlés est défini par l'utilisateur et le choix des pots à contrôler est aléatoire (Graphe 1). Demander un pourcentage de repesée aléatoire après arrosage (0 à 100% des pots) entraîne des temps de cycle d'irrigation plus longs. Si le poids vérifié est toujours incorrect à l'issu des tentatives, un message d'alerte est envoyé) (2). Sa validation permet à l'utilisateur de reprendre ou pas l'opération de contrôle sur ce même pot.

✓ une option permettant systématiquement de vérifier le poids de chaque premier pot de plateau après arrosage permet sans perte de temps de contrôler si la pompe n'est pas désamorcée.

Graphe 1 page suivante
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Graphe 1.** Exemple de pots contrôlés après une irrigation. Les ronds représentent le poids théorique du pot après déclenchement de la pompe. Les croix sont les poids réels des pots contrôlés après l'arrosage.
Ici, la moyenne des écarts par rapport au poids cible (consigne) est de -0.033g, l'erreur la plus grande est de 0,4g. Nous tolérons une erreur de 0,5g pour des pots de 280 g en moyenne. (Ici, des pots stressés et des pots témoins bien irrigués figurent sur le même graphe).</figcaption></figure>

Les solutions nutritives sont localisées dans des bidons de 25 L à l'arrière de la chambre de culture. Un suivi du volume de solution disponible est visualisé à l'écran, calculé à partir du volume de solution initiale mise à disposition de l'automate. Une alerte est envoyée automatiquement quand le volume de solution disponible est trop faible (% définissable par l'utilisateur).

Un message est envoyé en fin de chaque cycle à une ou plusieurs adresses électroniques pour faire le bilan des défauts rencontrés en cours de cycle :

Pots poids nul<sup>(1)</sup> :0
Pots en défaut d'irrigation avant correction : 4
Pots en défaut d'irrigation après correction<sup>(2)</sup> : 1
Pots en défaut par limitation de la quantité d'eau délivrée<sup>(3)</sup> : 2

## Une interface plus conviviale et une utilisation plus souple

Lors d'une consultation à distance et en cours d'un cycle, il était impossible de voir sur l'interface si un utilisateur avait une action de maintenance, présent ou non dans la chambre pour une action corrective. L'interface a été améliorée pour mettre en évidence, par coloration différentielle de la flèche indicatrice de cycle en cours, qu'une maintenance est activée (Photo 3) et ainsi informer l'utilisateur à distance qu'un acteur agit sur l'automate et peut être physiquement présent dans la chambre malgré les sécurités.

Il est aussi possible d'écrire un commentaire visible sur l'interface pour informer les autres utilisateurs d'un point ou d'un paramétrage particulier (Photo 3).
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Photo 3.** Les écrans diffèrent si la maintenance est activée. Un commentaire est possible dans la zone réservée (Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>

Il faut aussi souligner les améliorations sur la convivialité et la visualisation des fonctionnalités *via* un écran de supervision ergonomique et accueillant : suivant la fonction du cycle demandée, une image de la fonction en cours s'affiche (image Visible, Infra Rouge, Fluo, pesée, irrigation...), ainsi que la position à l'écran du bras en cours du cycle, ou du pot en cours.

La possibilité d'arrêter un cycle en cours avec reprise (pause) ou non (abandon) à l'endroit de l'arrêt a été rajoutée à la version originale.

La géométrie du dispositif est souple : la position des pots est interchangeable, les capteurs sont repositionnables (caméras, goutteur, balance) physiquement et/ou via l'interface en X et Y.

L'utilisateur peut décider de l'envoi ou non des données à la base de données par simple validation d'option, avec sauvegarde automatisée sur le PC.

## Des demandes scientifiques et techniques en évolution

### Avoir accès à de nouvelles variables phénotypiques via l'imagerie

La résolution de la caméra dans le spectre de lumière visible a été augmentée, et l'encombrement optimisé grâce aux nouvelles caméras Ethernet plus performantes (Prosilica GC 1600, Allied Vision, USA). Des caméras latérales permettant la mesure des angles foliaires (**Photo 4a**) peuvent être maintenant disposées sur le même bras (Vasseur et al., 2011). Elles sont du même type que la caméra visible, et permettent ainsi l'interchangeabilité en cas de panne. Une lumière verte permet de réaliser des images lorsque les lumières de la chambre de culture sont éteintes (**Photo 4b**) tout en évitant l'activité photosynthétique. Une horloge allume la lampe en simultané avec le départ des cycles d'images. Il faut signaler ici la nécessité de prévoir une alimentation en 220 V sur le bras de l'automate pour de nouveaux instruments.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Photo 4.** (a) Mesure des angles foliaires, (b) caméra latérale sur le bras avec photo prise de nuit (Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>
Le fluorimètre par imagerie PAM (Imaging PAM chlorophyll fluorometer, Walz, Germany) a été adapté pour la mesure de la fluorescence de chlorophylle.

Le logiciel de l'instrument Imaging Pam (logiciel Imaging Win, Walz) a été intégré à l'interface pour permettre la sortie et l'enregistrement automatique des images et fichiers acquis par la caméra en fluorescence. Il a fallu un investissement collectif des partenaires (Optimalog, Walz et LEPSE-INRA), pour adapter le système existant en tenant compte des contraintes d'encombrement, mais surtout pour coordonner et sécuriser les mesures entre l'automate et le logiciel Imaging Pam. Afin d'éviter l'illumination des plantes voisines lors du flash nécessaire à la prise d'image en fluorescence, la balance est en position élevée pour maintenir le pot dans un cône opaque. Il est possible de mesurer différents paramètres relatifs à la fluorescence de la chlorophylle comme par exemple le rendement quantique du PS II après adaptation à l'obscurité (Photo 5; Bresson et al., 2013, 2015). Des mesures d'autres variables « haut débit » comme l'ETR (electron transport rate), et l'absorbance sont en cours de validation.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Photo 5.** Evolution du rapport de fluorescence Fv/Fm chez Arabidopsis thaliana au cours d'une phase de dessèchement puis de réhumectation. Imagerie en fausses couleurs (Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>

L'imagerie dans le spectre infrarouge (FLIR, SC645) permet de quantifier la température de surface des organes de la plante, en particulier des feuilles, et donc de déceler la variabilité des systèmes de régulation de la transpiration dans des populations de génotypes ou dans des conditions environnementales contrastées (Graphe 2).

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Graphe 2.** Différence de température entre la feuille et l'air chez une population de lignées recombinantes Ler x Cvi chez Arabidopsis thaliana (Vasseur, Vile et al., non publié).</figcaption></figure>

Les mesures obtenues par la caméra reposent sur un système de prise en compte de la variabilité spatiale et temporelle des conditions environnementales par une mesure IR sur papier de cigarette positionné près du pot. Celle-ci a lieu en même temps que la mesure réalisée sur la plante indiquant la température de l'air ambiant (Dauzat et al., 2008).

Le logiciel ThermaCAM Researcher Pro (ThermaCAM Researcher Pro, 2.10) a été intégré au logiciel de PHENOPSIS pour permettre la visualisation des images thermiques. La communication entre optimaPLC et la caméra est assurée par le logiciel OptimaPLC/ThermaCAM, qui constitue le lien avec le logiciel de FLIR en mode OLE.
La connexion à l'ordinateur s'effectuait jusqu'à présent par câble FireWire (FLIR ThermaCAM B20HSV). Le câble étant très fragile, il était très difficile de le faire passer dans une chaîne porte câble soumise à de fortes contraintes sur une durée pluri-annuelle. La caméra IR est aujourd'hui connectée en Ethernet. La connexion est plus robuste, et le câble est aussi utilisé pour les caméras visibles ou de fluorescence. Un même câble peut donc avoir plusieurs utilisations. L'alimentation de la caméra n'est plus sur batterie et nécessite une prise 220 V directement sur le bras.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Photo 6.** Mesure des quelques types de caméras montées sur PHENOPSIS et leurs images associées
(Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>

Tous ces aménagements ont nécessité le passage de câbles nouveaux (Ethernet, alimentation des caméras, 220V...). Un dimensionnement large de la chaîne porte câble est donc nécessaire dès le départ.

Tous les types d'images sont possibles (**Photo 6**) sur une même expérimentation en même temps, sous réserve de l'ombrage causé par les instruments. Seul le cache pour la mesure de fluorescence s'enlève manuellement après chaque cycle.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>**Photo 7.** De gauche à droite : Caméra IR, Visible, Fluorescence sur un même portique se déplacent en même temps</figcaption></figure>

(Photos : INRA-Lepse).
## Pouvoir imposer de nouveaux stress dans le sol

Il est possible d'utiliser deux types de solution pour l'irrigation (Photo 7) au cours d'une même expérimentation car le système est maintenant équipé de deux pompes péristaltiques, deux systèmes d'irrigation et deux bidons de réserve indépendants. Des stress minéraux couplés à des stress hydriques ont déjà été réalisés.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>**Photo 8.** Deux solutions nutritives sont possibles
(Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>

Jusqu'à 10 cycles d'arrosage quotidiens sont programmables, ils sont indépendants : la pesée, l'irrigation, la prise d'images sont des fonctions libres (sélectionnables ou non) par cycle. La programmation s'effectue par cycle et par pot, via un fichier MS Excel, la consigne par pot étant primordiale sur celle du cycle : un pot non sélectionné pour l'arrosage ne sera pas arrosé malgré le cycle validé.

## Pouvoir réaliser des traitements différents, ou des expérimentations indépendantes en même temps

Il est possible de séparer les pots d'une même expérience en deux lots pour leur imposer en cours d'expérimentation des conditions d'irrigation différentes : des pots nécessitant seulement d'être pesés plusieurs fois par jour et non arrosés (suivi de transpiration par exemple) auront des types de cycles différents des pots devant être arrosés régulièrement. Chaque pot a aussi ses propres caractéristiques et est géré individuellement : le pot X pourra ne jamais être arrosé ou pourra bénéficier de la solution nutritive 2, contrairement à son voisin.

Plusieurs expériences peuvent être déclarées en même temps, la traçabilité est alors assurée par des identifiants distincts et des fichiers séparés.

Des fichiers de consignes sont téléchargables automatiquement ou manuellement. Ils permettent de modifier les consignes en cours de journée ou d'imposer des consignes différentes en fonction des jours. La fonction automatisable est un peu délicate à gérer et nécessite beaucoup d'attention.

Des apports de solution en quantité fixe avec ou sans pesée préalable, ou fonction d'un poids cible sont possibles. Les deux types d'apport sont complémentaires. Si les poids cibles ne sont pas encore définis ou si la balance ne peut assurer la pesée, alors on choisira un apport de solution fixe.
<table><caption>**Tableau 1.** Temps d'action pour un cycle dans un PHENOPSIS de type 1 (504 pots)</caption><thead><tr><th></th><th>Nombre de plantes</th><th>Temps de cycle estimé</th><th>Commentaire</th></tr></thead><tbody><tr><td>Images Infra Rouge</td><td>504</td><td>30 min</td><td></td></tr><tr><td>Irrigation</td><td>504</td><td>2h30</td><td>Dépend du % de contrôle des pots</td></tr><tr><td>Pesées</td><td>504</td><td>1h15</td><td></td></tr><tr><td>Images de Fluorescence (Fv/Fm)</td><td>504</td><td>3h30</td><td></td></tr><tr><td>Images Horizontales</td><td>504</td><td>30 min</td><td></td></tr><tr><td>Images Latérales</td><td>504</td><td>1h15</td><td></td></tr><tr><td>Irrigation+ ImagesV+Images IR+Images L</td><td>504</td><td>3 h</td><td></td></tr></tbody></table>

Les consignes sont gérables pot à pot et/ou sur l'ensemble des pots.

## Des besoins en traitement post mesure optimisés

Base de données associée : http://bioweb.supagro.inra.fr/phenopsis/

La base de données PHENOPSIS-DB a été conçue au LEPSE sous MySQL pour stocker toutes les informations liées aux expérimentations. Elle évolue régulièrement pour s'ajuster aux nouvelles espèces végétales étudiées ou aux développements techniques (capteurs, modules d'acquisition de données, alertes de sécurité). PHENOPSIS-DB possède une interface Web ergonomique qui établit le lien avec utilisateurs pour l'insertion et la consultation des données.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>**Figure 1.** Interface de la base de données phenopsisDB.</figcaption></figure>

La visualisation des données (météo, mesures sur les plantes, teneur en eau des pots) globales ou spatialisées est en partie automatisée à l'aide de scripts R (https://www.r-project.org/) disponibles dans l'interface web de la base de données.

Des macros sous Image J (http://imagej.net/Welcome) ont été développées pour le traitement des images et sont à la disposition des utilisateurs de la plateforme. Pour l'instant le traitement des images se fait essentiellement après l'expérimentation et est semi-automatisé. La surface foliaire projetée au cours du temps est une sortie directe des images acquises par PHENOPSIS. Un projet d'automatisation totale du traitement des images en direct avec calcul et insertion directe des surfaces de la plante et estimation du poids de la plante est actuellement à l'étude.

## Une évolution de PHENOPSIS pour accueillir d'autres espèces

PHENOPSIS est aujourd'hui fortement sollicité pour permettre de cultiver d'autres espèces et répondre à des besoins plus proches de l'agronomie (espèces cultivées), de l'écologie (culture de mélange d'espèces) ou de la
génétique (autres plantes modèles). Ainsi, nous avons réalisé des expérimentations sur différentes espèces dans PHENOPSIS, telle que *Brachypodium dystachium*, la tomate, le colza, la laitue (**Photos 9, 10**). Selon les cas, la taille des plantes et la durée de l'expérimentation autorisent la culture dans des pots identiques à ceux utilisés pour Arabidopsis ou au contraire imposent de cultiver les plantes dans des pots de plus grand volume.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>**Photo 9.** (a) Culture de *Brachypodium dystachium* dans PHENOPSIS : possible dans de petits pots, mais de plus grands volumes seraient souhaitables. (b) image latérale de *Brachypodium* prise dans phénopsis.</figcaption></figure>

(Photos : INRA-Lepse).

La souplesse du système initial a facilité la réalisation des modifications nécessaires aux nouvelles demandes. En effet, des essais de culture de colza (*Brassica napus*) dans les pots destinés initialement à Arabidopsis (250 cm³) ont montré non seulement un très fort impact mais également une très forte interaction entre taille du pot et réponses au stress (Dambreville et al., 2016, Figures 2 et 3). Une évolution de l'automate a été réalisée permettant l'utilisation de pots d'un diamètre de 19 cm, d'un volume de 7 L et pouvant peser jusqu'à 10 kg. Dans ce cas, 70 pots peuvent être embarqués dans PHENOPSIS.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>**Figure 2.** Surface foliaire de la troisième feuille de colza cultivé en petits pots et grands pots dans le même environnement climatique (Dambreville et al., 2016).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>**Figure 3.** Surface foliaire et densité de cellules de la 3ᵉ feuille de colza cultivé en petits pots et grands pots dans le même environnement climatique (Dambreville et al., 2016). Les différents niveaux de gris (blanc à noir, représentent trois génotypes différents).</figcaption></figure>

Ces deux figures illustrent les différents phénotypes observés en fonction d'une culture en petits pots ou grands pots.
L'importance de cette variable doit être prise en compte.

L'ensemble de ces modifications a été apporté et PHENOPSIS est aujourd'hui opérationnel pour fonctionner dans une gamme étendue d'espèces : de nouveaux plateaux, une balance de plus forte capacité, un vérin, et une nouvelle caméra constituent les principales modifications mécaniques pour un budget d'environ 10 k€ (modification du logiciel incluse).

## La principale nouveauté est l'évolution du logiciel associé

Toutes les caractéristiques, fonctionnalités et supervision du PHENOPSIS d'origine ont été gardées. Le nouveau logiciel permet non seulement de programmer la taille de pots décrite ci-dessus, mais surtout, plusieurs autres configurations de pots. Cinq types de configurations de pots (taille et disposition) sont actuellement disponibles et modifiables dans le temps et suivant les besoins expérimentaux. Celles-ci sont gérables « en autonomie » par l'utilisateur, sans avoir recours au constructeur. Ainsi, le passage d'une configuration de 70 pots de 7 L à 504 pots de 250 mL est aujourd'hui possible en quelques clics de souris. L'étendue des possibilités est large, y compris des configurations mixtes (plateaux de types différents sur une même expérimentation).

Actuellement une nouvelle géométrie requiert seulement la fabrication de nouveaux plateaux à la dimension des pots choisis. La balance doit être adaptée au poids des pots et à la précision souhaitée. De même, le vérin et la géométrie du système de pesée doivent être dimensionnés pour s'adapter au volume et au poids des pots.

Photo 10 page suivante
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>**Photo 10.** Ici, les cultures de tomates (gauche) et de salade (droite) sont aujourd'hui possibles (Photos : INRA-Lepse).</figcaption></figure>

## Quelles évolutions futures ?

La recherche scientifique est soumise aux exigences sociétales et s'appuie sur les évolutions technologiques très rapides. Nous avons vu que PHENOPSIS était suffisamment flexible pour s'adapter à diverses demandes (augmentation de la taille des pots pour analyser le phénotype d'espèces végétales d'intérêt agronomique) et de nouveaux besoins ( evolution/obsolescence des outils d'acquisition de données). Avec la diversification des espèces végétales d'architectures contrastées, il devient urgent de considérer la plante dans ses trois dimensions. L'addition de caméras latérales nous a déjà permis d'appréhender la croissance verticale et le mouvement des feuilles. Avec le développement des nouvelles technologies, il devient envisageable de scanner les plantes en 3D en conservant la structure initiale.

L'analyse en temps réel des données acquises pourrait permettre d'améliorer le pilotage de l'automate. Par exemple, chez les plantes en rosette comme A. thaliana, la surface foliaire donne une bonne estimation de la masse des plantes qui devrait être prise en compte pour ajuster l'irrigation. Cependant, l'analyse d'images en temps réel est contrainte par la qualité d'acquisition. Plusieurs méthodes (par exemple la combinaison d'images dans différents spectres lumineux, le développement de procédures informatisées) sont actuellement à l'étude pour réaliser ces développements dans les meilleures conditions.

La germination des graines reste une étape critique. Une attention particulière et une présence humaine régulière est nécessaire pour maintenir un environnement constamment humide à proximité des graines puis des plantules. L'automatisation de la brumisation au plus proche des graines est à l'étude.

Les plateaux à grands pots entraînent des effets de bordure et cet élément pourrait être amélioré. La mixité des types de plateaux implique ici une contrainte de gestion de balance due à la présence d'une poutre centrale. Celle-ci sera éliminée sur la prochaine évolution de PHENOPSIS. De plus, la balance sera soulevée par un vérin électrique et non plus pneumatique, ce qui permettra d'adapter sa course sous chacun des pots en fonction de leur dimension.

## Conclusion

La conception, la sécurisation, la fiabilisation et enfin l'évolution de PHENOPSIS, ont été permis grâce à une volonté du LEPSE de conserver un outil au plus proche des questionnements scientifiques tout en s'appuyant sur
des avancées technologiques. Une attention particulière a été portée i) à la communication entre les différents acteurs, c'est-à-dire les utilisateurs, les développeurs et les constructeurs/fournisseurs, et ii) à l'anticipation des besoins futurs. Pendant les quinze années d'existence de l'automate, le constructeur est resté à disposition pour le développement des demandes successives ce qui a été et reste un facteur déterminant dans la réussite des évolutions de l'outil.

Remerciements

Nous remercions tous les utilisateurs qui ont, de près ou de loin contribué à faire de PHENOPSIS un outil efficace, simple et fiable. Toutes les idées émises ont été étudiées et le plus souvent mises en place avec l'aide d'Optimalog.

Merci à Yves Primault (www.bionef.fr) pour la société Walz pour l'application Fluorescence développée en lien avec Optimalog, ainsi que la société AM Froid pour la partie Climatisation.

Merci à Florent, Anthony, Gaëlle, Crispulo, Nicolas, Frédéric, Nathalie qui ont très largement contribué aux améliorations décrites dans cet article.

Les évolutions de PHENOPSIS décrites dans cet article ont été réalisées grâce au soutien du projet FP7-EPPN (European Plant Phenotyping Network, contrat no. 284443) dans le cadre du programme des infrastructures de recherches, du projet AgWaterBreed dans le cadre de l'EIT Climate-KIC.

Durant ce travail, François Vasseur était soutenu par un contrat CIFRE (cofinancé par l'ANRT, ministère Français de la Recherche et la société BAYER Crop Science, contrat 0398/2009 - 09 42 008), Justine Bresson était soutenue par le ministère Français de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, Garance Koch était soutenue par le Labex AGRO (ANR-10-LABX-001-01) et Anaëlle Dambreville était soutenue par le projet AgWaterBreed dans le cadre de l'EIT Climate-KIC.

PHENOPSIS fait partie de 'Montpellier Plant Phenotyping Platforms' (M3P, http://www6.montpellier.inra.fr/lepse_eng/M3P), composante du Projet d'Investissement d'Avenir PHENOME, labélisée IBiSA (http://www.ibisa.net/).

Références bibliographiques

Bresson J et al. (2013) The PGPR strain Phyllobacterium brassicacearum STM196 induces a reproductive delay and physiological changes that result in improved drought tolerance in Arabidopsis. *New Phytol* **200**: 558-569.

Bresson J, Vasseur F, Dauzat M, Koch G, Granier C, Vile D (2015) Quantifying spatial heterogeneity of whole-plant chlorophyll fluorescence during growth and in response to water stress. **Plant Methods**: 11:23.

Dambreville A, Giolet M, Rolland G, Dauzat M, Bédiée A, Balsera C, Muller B, Vile D, Granier C (2016) Phenotyping oilseed rape growth-related traits and their responses to water defici t: the disturbing pot size effect. *Funct Plant Biol*. DOI: 10.1071/FP16036

Dauzat M, Simon E, Granier C, Hamard P, Muller B, Christophe A, Combes D, Tardieu F, Simonneau T (2004) Un automate de phénotypage pour cultiver des plantes à des états hydriques du sol contrôlés : un outil d'aide à la caractérisation de la réponse de la croissance et de la transpiration à la sécheresse. *Cahier Tech INRA*, n° 53 ;
https://www6.inra.fr/cahier_des_techniques/Les-Cahiers-parus/Les-N-reguliers/2004/Cahier-N-53/Art5-ct53-2004

Dauzat M, Dominique Flura D (2008) Pratiques et outils de mesure des rayonnements naturels dans les domaines visible, solaire et infrarouge. Cahier Tech INRA, n° thématique
https://www6.inra.fr/cahier_des_techniques/Les-Cahiers-parus/Les-N-themathiques/Rayonnements-naturels. La mesure des rayonnements de grande longueur d'onde, p. 59.

Fabre J, Tireau A, Dauzat M, Granier C (2008) Développement d'une base de données de phénotypage Arabidopsis thaliana accessible via une interface web. Cahier Tech INRA, 65 ; https://www6.inra.fr/cahier_des_techniques/Les-Cahiers-parus/Les-N-reguliers/2008/cahier-65-decembre-2008,

Fabre J, Dauzat M, Nègre V, Wuyts N, Tireau A, Gennari E, Neveu P, Tisné S, Massonnet C, Hummel I, Granier C (2011) PHENOPSIS DB: An Information System for Arabidopsis thaliana phenotypic data in an environmental context. BMC Plant Biol :11.

Granier C, Aguirrezabal L, Chenu K, Cookson SJ, Dauzat M, Hamard P, Simonneau T, Tardieu F, et al., (2006) PHENOPSIS, an automated platform for reproducible phenotyping of plant responses to soil water deficit in *Arabidopsis thaliana* permitted the identification of an accession with low sensitivity to soil water deficit. *New Phytologist* **169**: 623-635.

Annexes pages suivantes
# ANNEXE 1

## Liste des matériels utilisés dans PHENOPSIS

Liste récapitulative des partenaires et fournisseurs de matériel ayant servi à la réalisation de la chambre de culture et de l'automate.

### La CHAMBRE de CULTURE

<table><thead><tr><td></td><td>Adresse fournisseur</td><td>Tél, email ou site internet</td></tr></thead><tbody><tr><td>AM Froid</td><td>Montpellier, France</td><td>0467871578</td></tr><tr><td>Campbell</td><td>Campbell Scientific, Shepshed, Leicester-shire, UK</td><td>http://www.campbellsci.co.uk/fr</td></tr><tr><td>Lampes : Philips HPI-T Plus 400W<br>Et néons : grolux T8 36W</td><td></td><td>https://www.lampesdirect.fr/</td></tr><tr><td>Li-Cor</td><td>Lincoln, Ne, USA</td><td>http://www.licor.com</td></tr><tr><td>Skye Instruments</td><td>Powys.LD1 6 DF U.K</td><td>http://www.skyeinstruments.com</td></tr><tr><td>Vaisala</td><td>Oy, Helsinki, Finlande</td><td>http://www.vaisala.com</td></tr><tr><td>Groupe froid</td><td>Danfos Maneurope SA</td><td></td></tr><tr><td>Humidificateur</td><td>Ambrumesnil 76550 France</td><td>http://www.devatec.com</td></tr><tr><td>Caillebotis</td><td>Manutan</td><td>http://www.manutan&é.com</td></tr></tbody></table>

### L'AUTOMATE

<table><tr><td>Optimalog</td><td>2 rue de la Fontaine de Mié<br>F-37540 Saint Cyr sur Loire</td><td>http://www.optimalog.com</td></tr><tr><td>Moteurs servomoteurs</td><td>Sanyo Denki 95958 Roissy</td><td>www.sanyodenki.co.jp</td></tr><tr><td>Sartorius</td><td>37075 Gottinghen, Allemagne</td><td>http://www.sartorius.com</td></tr><tr><td>Allied Vision: camera GC1600C</td><td>„Le Quadral“<br>23 bis, rue Edouard Nieuport<br>92150 Suresnes<br>France</td><td>http://www stems imaging.fr/<br>https://www.alliedvision.com</td></tr><tr><td>Electro finish (pompe)</td><td>Fontaine, France<br>95130 Franconville, France</td><td>Electro finish@freesbee.fr</td></tr></table>

### Caméras supplémentaires sur le bras ayant demandé une adaptation mécanique et logicielle particulière

<table><tr><td>Caméra IR<br>SC645 : plage spectrale : 7,5-13 µm</td><td></td><td>http://www.flir.fr</td></tr><tr><td rowspan="2">Imaging pam, Chlorophyll<br>Fluorescence System</td><td></td><td>http://www.walz.com<br>http://www.bionef.fr</td></tr><tr><td>Camera latérale: camera Allied<br>Vision GC1600C</td><td></td><td>http://www stems imaging.fr</td></tr></table>
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>ANNEXE 2
Logigramme initial de PHENOPSIS et logigramme actuel simplifiés</figcaption></figure>
Logigramme actuel de l'automate PHENOPSIS 2016 : le principe reste le même, il y a complexification et diversité des outils.

<figure><img src="image_19.png" /></figure>
# ANNEXE 3
## Informations sur la partie logicielle de PHENOPSIS

L'atelier OptimaPLC, développé et commercialisé par OPTIMALOG, est un outil de développement basé sur la norme IEC61131-3. Il permet de programmer en **IL, ST, FBD, LADDER** et en diagramme **SFC** (Grafcet). **OPTIMA PLC** n'est pas un outil destiné à programmer des automates classiques, mais bien un **automate sur PC**.

### Exemples de programmation :

#### Mode Grafcet :

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

#### Mode Tâches : Optima PLC est un logiciel d'automate sur PC en **temps réel** incluant un atelier logiciel convivial pour la programmation des tâches automates.

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

#### Langage littéral :

<figure><img src="image_22.png" /></figure>