Personne ne sait vraiment ce que font les racines des plantes quand elles sont à la maison. Déterrer une plante expose les racines, mais détruit le tissu naturel du sol. Des informations sont perdues sur l'arrangement naturel intact des racines et du sol. Idem pour l'étude des racines des plantes en pots. En réalité, il n'existe pas de méthode de détermination non invasive sur le terrain, en détail, comment les systèmes racinaires des plantes cultivées changent au fil du temps en réponse aux variations des conditions météorologiques ou des éléments nutritifs du sol.

C'est pourquoi le gouvernement fédéral a lancé un programme ambitieux pour révéler la vie secrète des racines qui comprend l'utilisation de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) de plantes vivantes sur le terrain.

Les scientifiques du NIST Karl Stupic et Joshua Biller jouent un rôle clé, soutenu par l'Agence des Projets de Recherche Avancée-Énergie (ARPA-E) dans le cadre d'un programme appelé ROOTS, pour les observations de la rhizosphère Optimisation de la séquestration terrestre. Le projet, L'imagerie par résonance magnétique pour la croissance des racines est dirigée par la Texas A&M University avec des partenaires du Centre d'imagerie biomédicale Athinoula A. Martinos à Boston, Massachusetts, et ABQMR, Inc., un Albuquerque, Nouveau Mexique, société de recherche et développement spécialisée dans les technologies de résonance magnétique.

"Presque tout ce que nous savons sur les plantes vient de la base, " a déclaré Stupic. "Notre objectif est de fournir une image de racines dans une colonne de sol intacte, en utilisant l'IRM à très faible champ magnétique, moins de 100 millitesla, " ou 0,1 tesla. Le tesla est l'unité d'intensité du champ magnétique dans le SI, le système international d'unités.

Par comparaison, les scanners IRM humains utilisent généralement des champs puissants de l'ordre de 1,5 à 3 tesla. Les scanners de ce type nécessitent de grandes quantités d'infrastructure et ne sont pas portables, l'équipe a donc dû développer quelque chose qui pourrait répondre aux questions qu'ils se posaient sur le terrain.

"Nous voulons découvrir comment les racines vivantes dans le sol interagissent avec le sol environnant, " a déclaré Biller. " Les images des racines sont vitales pour comprendre comment la sélection végétale affecte la structure des racines, ainsi que la compréhension de la fonction des attributs du sol tels que la teneur en carbone organique, et déterminer la tolérance d'une espèce à la sécheresse, vent, inondations et maladies."

La question est particulièrement urgente parce que la qualité du sol et les niveaux de couche arable ont diminué au cours du siècle dernier, alors même que l'agriculture moderne augmente la productivité. Selon la déclaration de programme de l'ARPA-E, « En cas de succès, les développements réalisés dans le cadre du programme ROOTS produiront des cultures qui augmenteront considérablement l'absorption de carbone dans le sol, aider à éliminer le dioxyde de carbone (CO 2 ) de l'atmosphère, diminuer l'oxyde nitreux (N 2 o) les émissions, et améliorer la productivité agricole.

Rhizotrons et radar

Il existe plusieurs méthodes plus conventionnelles de recherche sur les racines. Certaines recherches utilisent des tunnels souterrains vitrés ou des conteneurs transparents appelés rhizotrons. Un inconvénient de ces méthodes est que la surface vitrée offre une voie préférentielle pour l'écoulement de l'eau, formation racinaire potentiellement déformante. Un radar à pénétration de sol (GPR) a également été utilisé pour détecter la structure des racines. Des fréquences micro-ondes plus élevées produisent une résolution plus élevée, mais ils ne peuvent pas pénétrer aussi profondément. « La structure racinaire complète de cultures telles que le sorgho, qui fait l'objet de cette étude, peut s'étendre jusqu'à 1 mètre sous le sol sur la base d'échantillons de carottes préliminaires de nos collaborateurs de Texas A&M. L'IRM à bas champ est une première étape dans l'investigation de l'ensemble de la structure radiculaire, " dit Biller.

Sorgho, un cousin du maïs rustique et riche en énergie, est largement cultivé pour l'alimentation du bétail et comme matière première pour la production de biocarburants, entre autres utilisations.

En IRM, un objet est exposé à un champ magnétique pendant qu'il est balayé avec une excitation radiofréquence (RF). Pour le programme ROOTS, le plan est de déployer un petit système d'IRM—initialement 10 pouces de diamètre, mais finalement plus grand - pour encercler la masse racinaire principale de la plante et enregistrer les changements au fil du temps. Le volume d'imagerie initial capturera les structures racinaires jusqu'à 18 pouces sous la surface du sol.

Mais parce que personne ne l'a fait avant, le projet nécessitera une expérimentation et des tests approfondis avant le déploiement sur le terrain pour s'assurer que l'équipement produit un champ magnétique homogène, vérifier que le sol n'est pas chauffé au point de nuire à la plante ou de fausser les données, et répondre à des dizaines d'autres questions.

À cette fin, l'équipe du NIST construit un scanner à faible champ dans l'un de ses Boulder, Colorado, laboratoires. Ce sera une conception ouverte d'environ 1,8 mètre (6 pieds) de long, 1 mètre (3 pieds) de large, et 2,1 mètres (7 pieds) de haut, sur la base d'un système actuellement utilisé au Martinos Center for Biomedical Imaging. Le directeur du centre, Matthieu Rosen, possède une vaste expertise dans l'utilisation de l'IRM à faible champ (6,5 millitesla) pour l'imagerie humaine.

Stupic et ses collègues utiliseront le nouvel appareil pour trouver les meilleurs moyens d'imager les racines, et pour fournir des échantillons de référence standard et des fantômes, des objets synthétiques qui imitent avec précision le matériel végétal dans le scanner. Cela garantira la comparabilité des données et validera les résultats qui viendront bientôt des études de terrain de Texas A&M utilisant des scanners enterrés développés par ABQMR, Inc.

"Nous allons développer des données de référence de base, concevoir des objets d'étalonnage, et imaginez des fantômes de plantes 3D réalistes, " dit Stupique.

Le système de numérisation du projet devrait être pleinement fonctionnel au cours de l'été 2018. "L'objectif initial de l'ARPA-E est d'imager 10, 000 plantes en une saison de croissance de cinq à sept mois, " dit Stupic. " Cela signifie que nous devons scanner environ 50 plantes par jour.

"Parce qu'une partie de notre mission est de sortir la technologie et de l'utiliser sur le terrain, nous allons également nous impliquer dans la recherche de moyens de réduire l'électronique et le matériel associé. Nous aurons besoin de quelque chose que vous pouvez apporter sur un petit camion, peut-être en utilisant un VTT pour courir à côté des plantes et prendre des données. Et nous devons faire tout cela en quelques mois. » Le NIST fournira des mises à jour périodiques au fur et à mesure de l'avancement du projet.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.