Mesurer la fertilité masculine du maïs avec Tasselyzer

Le Maïs, communément appelé blé d'Inde, dépend d'un ensemble complexe d'instructions génétiques pour contrôler la Fertilité mâle. Cette fertilité est cruciale pour la production de maïs car elle influence combien de graines une plante peut produire. Cependant, divers facteurs environnementaux peuvent perturber ce développement. Ces facteurs incluent la lumière, la température, l'approvisionnement en eau et les nutriments. Même le stress physique, comme des vents forts ou des tempêtes, peut impacter négativement les plants de maïs.

Pour gérer efficacement la fertilité mâle du maïs, il est essentiel d'évaluer combien d'anthères-la partie de la fleur qui produit le pollen-fonctionnent correctement. La présence et la santé de ces anthères peuvent indiquer à quel point chaque plante est susceptible de se reproduire. Chez le maïs, les anthères proviennent de fleurs mâles organisées en structures appelées épillets, situées sur une partie de la plante appelée la panicule, qui est séparée de la fleur femelle, ou épi.

Le jour où les anthères libèrent du pollen, la structure qui les maintient, appelée filament, s'allonge considérablement. Cette action pousse l'anthère dans l'air libre, permettant la libération du pollen pour la fertilisation. En revanche, les anthères stériles ne s'étendent pas comme il le faut, ce qui peut entraîner une fertilité réduite chez la plante de maïs. Par conséquent, mesurer combien les anthères s'étendent, connu sous le nom d'extraction des anthères, peut fournir des informations vitales sur la fertilité mâle.

#Méthodes Traditionnelles de Mesure de l’Exploitation des Anthères

Traditionnellement, la mesure de l'exploitation des anthères était faite manuellement. Les évaluateurs utilisent une échelle simple de 0, signifiant aucune exploitation, à 5, ce qui indique une exploitation complète. Cependant, ce processus manuel peut être subjectif, entraînant des incohérences dans le scoring entre différentes personnes évaluant les mêmes échantillons. De plus, les observations manuelles peuvent manquer des variations qui peuvent se produire au sein de la panicule, ce qui peut refléter des différences dans le développement des anthères sur plusieurs jours.

Pour résoudre ces problèmes, un nouvel outil appelé 'Tasselyzer' a été développé. C'est un système automatisé qui utilise des images pour analyser la couleur et la présence des anthères sur les panicules de maïs. Cet outil repose sur un programme appelé PlantCV, conçu pour analyser les images de plantes. Il peut identifier les anthères en fonction de leurs couleurs distinctes, les séparer des autres parties de la panicule, et calculer les ratios de pixels d'anthères par rapport au total de pixels de l'image. Cela permet une mesure beaucoup plus précise et objective de la fertilité mâle.

#Comment Fonctionne Tasselyzer ?

Tasselyzer traite des images de panicules de maïs prises sous des conditions d'éclairage constantes. Au total, 1 438 images ont été capturées à partir de différentes lignées de maïs. Ces images présentent différentes couleurs pour distinguer les anthères (qui peuvent être jaunes ou roses) des autres parties vertes de la plante et d'un fond sombre.

Tasselyzer fonctionne en segmentant ces images en différentes catégories basées sur la couleur. Il génère des masques séparant les anthères du reste de la panicule et calcule le ratio des anthères, qui est une mesure de combien de pixels appartiennent aux anthères par rapport à l'ensemble de la panicule. Cette méthode automatisée est conçue pour imiter l'évaluation visuelle humaine tout en fournissant des résultats plus cohérents.

#Évaluation de l’Exploitation des Anthères avec Tasselyzer

La panicule d'une plante de maïs se développe sur une période de 2 à 7 jours, avec un timing grandement influencé par la génétique et les conditions de croissance. Les anthères commencent à émerger du spike central de la panicule le premier jour. Au cours des jours suivants, elles se propagent vers les autres parties de la panicule. Pour évaluer si le ratio des anthères mesuré par Tasselyzer reflète avec précision l’exploitation des anthères, des photos des panicules ont été prises à divers stades de développement. Les résultats ont indiqué que Tasselyzer est suffisamment sensible pour détecter clairement les changements dans l'exploitation des anthères pendant la période d'anthèse.

Pour valider davantage son efficacité, différentes lignées de maïs ont été cultivées, étalées dans le temps de plantation pour capturer divers stades de développement. L’exploitation des anthères a été suivie pendant ces périodes, comparant les ratios d'anthères calculés par Tasselyzer avec les mesures manuelles traditionnelles de la largeur du spike principal. La largeur du spike principal sert généralement de proxy pour suivre le développement des anthères.

Fait intéressant, bien que les deux mesures soient faibles lorsque les anthères n'étaient pas présentes, elles ont atteint un pic à des moments différents. Les largeurs des spikes principaux n'ont pas changé aussi rapidement que les ratios d'anthères, qui se sont révélés plus réactives à mesure que l'exploitation des anthères changeait.

#La Variabilité des Couleurs des Anthères Affecte la Performance de Tasselyzer

Tasselyzer a été évalué à travers un large éventail de lignées de maïs pour mieux comprendre sa performance. L'analyse impliquait d'évaluer sa capacité à identifier avec précision les pixels d'anthères en utilisant des mesures standard. Les résultats ont montré que la performance de Tasselyzer variait selon la lignée de maïs. Certaines lignées ont montré une grande précision, indiquant une performance robuste, tandis que d'autres avaient des difficultés, notamment celles avec des anthères difficiles à distinguer en raison de similitudes de couleur avec d'autres parties de la panicule.

Pour améliorer encore sa performance, une distribution de probabilité spécifique a été créée pour une lignée de maïs. Cet ajustement a considérablement amélioré la capacité de l'outil à identifier les anthères, montrant que l'optimisation des paramètres pour des lignées spécifiques peut conduire à une meilleure segmentation et mesure.

#Application de Tasselyzer dans la Recherche

Le degré d'exploitation des anthères est un indicateur important de la fertilité mâle chez le maïs. Cependant, l'absence d'un outil automatisé pour quantifier cet aspect a posé des défis. Tasselyzer vise à combler cette lacune en fournissant une méthode pour analyser à la fois les phénotypes des panicules entières et régionales.

L'outil est non seulement facile à utiliser mais aussi rentable, capable de traiter des milliers d'images efficacement à partir de simples étapes de formation. Bien que Tasselyzer soit bénéfique, il a quelques limites. Par exemple, les plantes avec des couleurs similaires pour les anthères et d'autres parties peuvent poser des difficultés. De plus, il y a des défis liés aux feuilles ou aux tiges obstruant la vue des panicules. Actuellement, il est nécessaire de faire une taille manuelle ou d'utiliser des techniques d'imagerie spécialisées pour assurer des mesures précises.

Il existe un potentiel d'utilisation de méthodes avancées, comme l'apprentissage profond, pour aborder ces problèmes à l'avenir. Les premiers essais avec de tels systèmes ont montré des promesses, indiquant qu'intégrer ces technologies pourrait aider à améliorer la précision dans l'identification des anthères au milieu des complexités de la structure végétale.

#Conclusion

Tasselyzer sert d'outil sensible et utile pour mesurer les anthères dans les panicules de maïs. En analysant des images, il fournit une approche quantitative pour évaluer la fertilité mâle, ce qui est essentiel pour les obtenteurs de plantes et les chercheurs. Avec des améliorations supplémentaires, telles que le développement de paramètres de segmentation plus adaptés et l'utilisation d'algorithmes avancés, Tasselyzer pourrait devenir un atout vital pour comprendre le développement des plantes et les effets des conditions environnementales sur la fertilité du maïs.

En offrant une méthode de mesure plus objective, cet outil pourrait ouvrir la voie à de nouvelles idées sur la reproduction du maïs et mener à des avancées dans les pratiques agricoles. Les insights obtenus grâce à l'utilisation de Tasselyzer pourraient potentiellement aider dans les programmes de sélection visant à améliorer les rendements et la résistance du maïs dans des conditions environnementales variées.