End-to-end multimodal 3D imaging and machine learning workflow for non-destructive phenotyping of grapevine trunk internal structure
2024
Fernandez, Romain | Le Cunff, Loïc | Mérigeaud, Samuel | Verdeil, Jean‐Luc | Perry, Julie | Larignon, Philippe | Spilmont, Anne-Sophie | Chatelet, Philippe | Cardoso, Maïda | Goze-Bac, Christophe | Moisy, Cédric | Géno-vigne® (UMT Géno-vigne®) ; Institut Français de la Vigne et du Vin [Siège] (IFV)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier ; Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro) | Diversité, Adaptation et Amélioration de la Vigne [AGAP] (DAAV) ; Amélioration génétique et adaptation des plantes méditerranéennes et tropicales (UMR AGAP) ; Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier ; Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Montpellier (UM)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier ; Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Montpellier (UM) | Tridilogy SARL, Saint-Gély du Fesc | Plateforme d'histocytologie et d'imagerie cellulaire végétale (PHIV) ; Amélioration génétique et adaptation des plantes méditerranéennes et tropicales (UMR AGAP) ; Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier ; Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Montpellier (UM)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier ; Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Montpellier (UM)-Institut des Sciences des Plantes de Montpellier (IPSIM) ; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro Montpellier ; Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE) | Département Systèmes Biologiques (Cirad-BIOS) ; Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad) | Comité Interprofessionnel du Vin de Champagne (CIVC) | Institut Français de la Vigne et du Vin [Siège] (IFV) | Université de Montpellier (UM) | Laboratoire Charles Coulomb (L2C) ; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM) | This work was supported by the French Ministry of Agriculture and Food, France AgriMer, the Comite National des Interprofessions des Vins d'appellation d'origine et d'indication geographique (CNIV), and the Institut Francais de la Vigne et du Vin (IFV) within VITIMAGE and VITIMAGE-2024 projects (program Plan National Deperissement du Vignoble); and by Agropolis fondation-APLIM Etendard project (contract 1504-005). Imaging acquisitions were performed at Tridilogy, Groupe CRP-Imaneo; and the MRI platform member of the national infrastructure France-BioImaging supported by the French National Research Agency << Investments for the Future >> (ANR-10-INBS-04), and of the Labex CEMEB (ANR-10-LABX-0004) and NUMEV (ANR-10- LABX-0020). | ANR-10-LABX-0004,CeMEB,Mediterranean Center for Environment and Biodiversity(2010) | ANR-10-LABX-0020,NUMEV,Digital and Hardware Solutions and Modeling for the Environement and Life Sciences(2010) | ANR-10-INBS-0004,France-BioImaging,Développment d'une infrastructure française distribuée coordonnée(2010)
The datasets generated and analyzed during the current study are available from the corresponding author upon reasonable request. The extension of the Trainable Segmentation plugin is open-source, and available as a fork of Trainable Segmentation on GitHub: https://github.com/Rocsg/Trainable_Segmentation/tree/Hyperweka.
Show more [+] Less [-]International audience
Show more [+] Less [-]English. Quantifying healthy and degraded inner tissues in plants is of great interest in agronomy, for example, to assess plant health and quality and monitor physiological traits or diseases. However, detecting functional and degraded plant tissues in-vivo without harming the plant is extremely challenging. New solutions are needed in ligneous and perennial species, for which the sustainability of plantations is crucial. To tackle this challenge, we developed a novel approach based on multimodal 3D imaging and artificial intelligence-based image processing that allowed a non-destructive diagnosis of inner tissues in living plants. The method was successfully applied to the grapevine ( Vitis vinifera L.). Vineyard’s sustainability is threatened by trunk diseases, while the sanitary status of vines cannot be ascertained without injuring the plants. By combining MRI and X-ray CT 3D imaging with an automatic voxel classification, we could discriminate intact, degraded, and white rot tissues with a mean global accuracy of over 91%. Each imaging modality contribution to tissue detection was evaluated, and we identified quantitative structural and physiological markers characterizing wood degradation steps. The combined study of inner tissue distribution versus external foliar symptom history demonstrated that white rot and intact tissue contents are key measurements in evaluating vines’ sanitary status. We finally proposed a model for an accurate trunk disease diagnosis in grapevine. This work opens new routes for precision agriculture and in-situ monitoring of tissue quality and plant health across plant species.
Show more [+] Less [-]AGROVOC Keywords
Bibliographic information
This bibliographic record has been provided by Institut national de la recherche agronomique