Observer et analyser les cultures, pour permettre de réagir précocement à la survenue d’aléas, est un enjeu majeur d’une agriculture durable et économe en intrant. Et si la lumière permettait de détecter un stress avant même l’apparition des premiers symptômes visibles ou prédire la qualité d’une production ? Grâce aux technologies photoniques, il est désormais possible d’évaluer rapidement et sans destruction l’état physiologique des plantes, leur statut nutritionnel ou encore certains critères de qualité. Des outils tels que les capteurs optiques, la spectroscopie proche infrarouge ou l’imagerie hyperspectrale ouvrent de nouvelles perspectives pour la recherche agronomique et l’agriculture de précision.
Outils optiques, de quoi parle-t-on ?
Les mesures optiques reposent sur l’interaction entre la lumière et la matière. Lorsqu’un objet est éclairé, une partie de la lumière peut être absorbée, réfléchie, transmise ou réémise sous différentes formes. L’analyse de ces phénomènes permet d’obtenir des informations sur les propriétés physiques, chimiques ou biologiques de l’échantillon.
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Les mesures peuvent être ponctuelles, lorsqu’elles concernent un seul point, ou spatiales lorsqu’elles décrivent l’ensemble d’une surface, voire un volume en trois dimensions.
Parmi ces techniques, les mesures spectrales enregistrent la réponse de la plante à de nombreuses longueurs d’onde afin de révéler des détails invisibles à l’œil nu. Les images hyperspectrales permettent de cartographier ces informations pour chaque pixel d’une image.
D’autres techniques exploitent la fluorescence, où l’échantillon réémet de la lumière après une excitation lumineuse.
Certaines méthodes utilisent également des rayonnements particuliers, comme les rayons X, pour identifier les éléments chimiques présents.
Ainsi, les mesures optiques constituent un ensemble d’outils non destructifs permettant de caractériser une plante, un sol, une parcelle à partir de leur interaction avec le rayonnement de la lumière.
En agriculture, une grande diversité de techniques est déjà utilisée en routine et les développements issus de la recherche viennent élargir cet éventail de solutions.
Un cas particulier qui présente un intérêt grandissant : l’imagerie hyperspectrale
Les avancées récentes en capteurs optiques ouvrent la voie au transfert de méthodes issues de la recherche fondamentale vers des outils directement utilisables sur le terrain.
C’est notamment le cas de l’imagerie hyperspectrale, capable d’acquérir une information très riche sur des centaines de longueurs d’onde, dont les connaissances peuvent être simplifiées et transférées vers des systèmes multispectraux plus légers, moins coûteux et plus faciles à déployer.
Cette démarche permet de conserver les informations les plus pertinentes tout en répondant aux contraintes opérationnelles des applications agricoles. Les mesures optiques trouvent ainsi de nombreux domaines d’application, en recherche appliquée ou en production agricole, allant du phénotypage des plants, au suivi de l’état sanitaire des cultures.
Elles constituent notamment un levier pour le criblage rapide de variétés présentant des caractéristiques d’intérêt, ainsi que pour l’évaluation de biosolutions innovantes. En fournissant des indicateurs précoces et non destructifs, ces technologies contribuent également à l’optimisation des itinéraires techniques (ITK), en facilitant la prise de décision et le pilotage des pratiques culturales. Elles permettent ainsi d’accélérer l’innovation et d’accompagner la transition vers une agriculture plus performante et durable.
Outils optiques, des applications concrètes pour la recherche appliquée et les filières végétales
Les mesures optiques peuvent répondre à de nombreux objectifs d’évaluation grâce à une large gamme d’outils complémentaires, tels que les spectromètres, les caméras multispectrales et hyperspectrales, les capteurs de fluorescence, les systèmes thermiques infrarouges, les scanners 3D ou encore les capteurs portatifs de terrain.
Détecter précocement les maladies : certaines modifications physiologiques induites par les agents pathogènes affectent les propriétés optiques des feuilles plusieurs jours avant l’apparition de symptômes visibles. Les caméras hyperspectrales, multispectrales permettent ainsi d’identifier précocement des zones infectées. Le projet Agripolhys s’inscrit dans cette démarche en exploitant l’imagerie hyperspectrale pour détecter précocement les maladies des cultures et développer des méthodes de caractérisation permettant de différencier les maladies.
L’objectif n’est pas seulement de repérer une anomalie, mais également de discriminer différents agents pathogènes à partir de leur signature spectrale et/ou du changement de signature de la plante. Cette approche ouvre des perspectives importantes pour le diagnostic précoce, le phénotypage sanitaire et l’aide à la décision, en permettant d’intervenir plus rapidement et de manière plus ciblée pour une gestion raisonnée et performante des cultures.
Identifier et mettre en œuvre des leviers de résistance aux stress abiotiques : les déficits hydriques, les excès de température, la salinité ou d’autres contraintes environnementales modifient le comportement spectral des plantes. Les capteurs thermiques et spectrométriques permettent de suivre ces perturbations et d’évaluer leur intensité. Les approches spectrales, notamment la spectroscopie proche infrarouge (NIRS) et la spectroscopie Raman, sont de plus en plus utilisées pour développer des modèles prédictifs permettant de quantifier certains biomarqueurs tels que la proline ou des enzymes du stress oxydatif. Ces marqueurs permettent notamment d’accélérer le développement de biosolutions pertinentes et d’améliorer la gestion des cultures.
En parallèle, l’imagerie multispectrale et hyperspectrale offre la possibilité de phénotyper un grand nombre de génotypes en conditions contrôlées ou au champ, afin d’identifier des variétés plus tolérantes à certaines contraintes environnementales. Ces outils contribuent ainsi à mieux comprendre les mécanismes d’adaptation des plantes au stress et à accélérer la sélection variétale dans un contexte de changement climatique et de recherche de systèmes de culture plus résilients.
Conduire et optimiser la nutrition des cultures : les mesures de réflectance, notamment dans le visible et le proche infrarouge, fournissent des informations sur la teneur en chlorophylle et l’état nutritionnel des plantes. Des indices de végétation peuvent être calculés pour ajuster les apports en fertilisants. D’autres techniques, comme la fluorescence X (XRF), offrent un accès plus direct à la composition élémentaire des tissus végétaux. La XRF est particulièrement adaptée à la détection d’éléments minéraux de masse atomique moyenne à élevée, généralement à partir du magnésium (Z = 12) selon les performances de l’instrument, et plus efficacement pour les éléments plus lourds tels que le phosphore, le soufre, le potassium, le calcium, le manganèse, le fer, le cuivre ou le zinc.
Caractériser la qualité des productions : les technologies spectrales permettent également d’évaluer des critères de qualité tels que la teneur en matière sèche, en sucres, en protéines, en pigments ou encore certains composés biochimiques. Elles sont utilisées aussi bien pour le suivi des cultures que pour le contrôle qualité après récolte.
L’intérêt de ces approches réside dans leur caractère rapide, non destructif et potentiellement automatisable, ce qui en fait des outils particulièrement adaptés aux besoins de la recherche, du phénotypage à haut débit et de l’innovation agronomique. Ces approches sont encore en développement mais déjà opérationnelles pour certaines applications, notamment pour le tri de la maturité du raisin post-récolte. (sur le sujet lire notre billet L’optique photonique au service des Fruits et Légumes).
Références
ALVOPTIQ – Quantification des nutriments dans les algues et végétaux par spectroscopie optique – Vegenov
JTECH Photonique & Végétaux : une rencontre dédiée aux synergies entre filières – Photonics Bretagne
Spectrométrie Infrarouge – plateforme Phénobois – INRAE
Spectroscopie proche infrarouge – Malvern Panalytical
Qu’est-ce que la spectroscopie proche infrarouge ? – Metrohm
La spectroscopie dans le proche infrarouge – umr-selmet.cirad.fr
5.2.1 – La spectrométrie dans le proche infrarouge – uved-matorg.cirad.fr
ALVOPTIQ – Photonics Bretagne
Auteurs
Émilie Hascoët, Protection et Nutrition des Plantes
Crédits photos :
Images à la une, Spectres d’absorption/Réflexion, NIRS : Vegenov
Schéma mesures photoniques : Générée avec l’aide de l’IA (Open AI)
