ACTUALITÉ SCIENTIFIQUE
ET INNOVATION DE L'ÉTS

Essais du M-PHIS pour la culture des plantes sur Mars


Talal Abboud
Talal Abboud détient un baccalauréat et une maîtrise en ingénierie du Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure (ÉTS). Il est actuellement concepteur en électronique au centre d'excellence de Kongsberg Automotive.

Alain Berinstain
Alain Berinstain Profil de l'auteur(e)
Alain Berinstain a passé 17 ans à l’ASC où il a occupé le poste de directeur de l’Exploration planétaire et de l’astronomie spatiale. Depuis 2013, il se consacre à la communication de la science et de la technologie au sein de Psyence.

Matthew Bamsey
Matthew Bamsey est associé de recherche à l'Institute of Space Systems DLR en Allemagne. Il fait aussi partie de l’équipe du projet EDEN ISS. Il a participé à des projets de recherche à l’Université de Floride et de Guelph, et à l’ASC.

Robert Ferl
Robert Ferl est professeur à l'Université de Floride et directeur du Interdisciplinary Center for Biotechnology Research (ICBR). Ses intérêts de recherche sont la biologie spatiale, les protéines 14-3-3 et la structure chromatine.

Anna-Lisa Paul
Anna-Lisa Paul est professeure en Sciences horticole à l’Université de Floride. Ses intérêts de recherche sont la régulation de l’expression des gènes des plantes en réponse au stress abiotique et à des environnements extrêmes.

Thomas Graham
Thomas Graham est directeur de recherche et développement au CESRF de l’Université de Guelph. Son intérêt de recherche principal est l’optimisation de l’espace occupé par les systèmes de biorégénération de soutien à la vie.

Mike Dixon
Mike Dixon est professeur à l'Université de Guelph depuis 1985. Directeur du CESRF, il dirige aussi une équipe de chercheurs qui étudie la contribution des plantes au soutien à la vie humaine dans l'espace.

Demos Leonardos
Demos Leonardos Profil de l'auteur(e)
Demos Leonardos est associé de recherche au Controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) à l’Université de Guelph.

Michael Stasiak
Michael Stasiak Profil de l'auteur(e)
Michael Stasiak est associé de recherche principal et directeur de service technique au Controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) à l’Université de Guelph.

Rita Noumeir
Rita Noumeir est professeure au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’interopérabilité dans le domaine de la santé et l’analyse, le traitement et la visualisation des images médicales.
Programme : Génie électrique 

L’un des scénarios actuellement envisagés pour la culture de plantes sur Mars est le développement de serres autonomes pouvant transmettre l’information concernant les plantes  à la Terre par télémétrie. Cet article est la suite de M-PHIS : un nouveau système d’imagerie pour faire pousser des plantes sur Mars et présente les essais effectués sur ce système multispectral comprenant plusieurs nouvelles fonctionnalités.

Cet article s’inscrit dans le cadre d’une série qui porte sur la recherche et les développements technologiques effectués en vue de la colonisation d’autres planètes.

 

Essais à basse pression de courte durée

Le système d’imagerie a été installé dans une chambre hypobare au Controlled Environment Systems Research Facility (CESRF), à l’Université de Guelph (Ontario, Canada). L’objectif était d’évaluer la capacité de l’imageur à capter des images de la protéine fluorescente verte induite (PFV), des fluorescences rouge naturelle et proche infrarouge, en plus de simuler l’étude de la santé des plantes dans un environnement hypobare. Les essais avaient aussi pour but de mieux comprendre les contraintes de fonctionnement que pourrait avoir un système entièrement automatisé d’imagerie de la santé des plantes en orbite ou dans d’autres scénarios de vol spatial.

Bien que le matériel et le logiciel aient fait l’objet de tests de fonctionnement pendant plusieurs semaines avant le déploiement au CESRF, on ne savait toujours pas si le système d’imagerie pouvait supporter les basses pressions atmosphériques nécessaires à l’étude. Des conditions de fonctionnement aussi extrêmes sont loin d’être standards et, par conséquent, il n’existait pas de données sur la performance à basse pression de chacune des composantes du système d’imagerie. Pour répondre à la question de l’efficacité à basse pression, le système a fait l’objet d’un test préalable sans échantillons biologiques. Le 16 février 2012, le système a été installé dans la chambre hypobare et programmé pour capter une séquence complète (PFV, rouge, infrarouge, noir et blanc) toutes les 20 minutes en basse pression (voir la figure 1). Une plaque de calibrage, conçue et fabriquée par l’Université de la Floride, a été installée dans le système pour ces essais. La plaque servait à émettre une fluorescence analogue à la PFV et à la chlorophylle.

essais

Figure 1 Séquences de capture de la plaque de calibration à pression ambiante (rangée du haut) et à 5 kPa (rangée du bas). Ces images confirment qu’une basse pression atmosphérique n’a pas eu d’impact sur la qualité générale de l’image, le LCTF ou les autres dispositifs d’imagerie.

La pression de la chambre hypobare a été réduite du niveau ambiant à 25 kPa, sur une période de 30 minutes, et une séquence complète d’imagerie a été captée et vérifiée en temps réel. Une fois confirmée la fonctionnalité du système à 25 kPa, la pression a été réduite par la suite à 5 kPa sur une période de 10 minutes et maintenue ainsi pendant 30 minutes. Une séquence complète d’images a ensuite été captée. Les images obtenues à basse pression (25 kPa et 5 kPa) ont été comparées directement aux images captées à pression ambiante et ont confirmé que les basses pressions n’affectaient pas ni n’altéraient significativement la caméra ou le filtre accordable à cristaux liquides (LCTF). Ces essais ont aussi démontré que le système était capable de fonctionner à basse pression atmosphérique.

Essais à basse pression de longue durée

Après avoir confirmé que le M-PHIS fonctionnait à basse pression atmosphérique, un test à basse pression de longue durée, incluant des échantillons biologiques réels, a été entrepris. Une fois la chambre hypobare fermée et réglée à 5 kPa, le M-PHIS devait capter une séquence d’images (PFV, rouge, infrarouge, noir et blanc) puis répéter cette séquence toutes les quatre heures, pendant 48 heures. Ainsi, la première séquence de capture d’images s’est produite pendant que la chambre hypobare était encore réglée à la pression ambiante. La chambre hypobare a atteint 5 kPa, 84 minutes après le début de la réduction de la pression. La seconde série d’images, prise quatre heures après le début du test, s’est effectuée alors que les plantes croissaient à 5 kPa. La figure 2 compare les deux premières séquences. Deux petits marqueurs rectangulaires sont placés dans le coin supérieur gauche du plateau à échantillons et servent d’indicateurs de calibrage du LCTF. Ces indicateurs de référence devaient conserver la même intensité pour chaque type de capture d’image. Par exemple, la figure 2 montre que l’intensité des indicateurs est demeurée essentiellement identique à la pression atmosphérique et à 5 kPa.

essais

Figure 2 Images du premier test hypobare à 5 kPa. La séquence du haut reflète les images captées au début de l’expérience, quand la pression était encore autour de la pression atmosphérique (~100 kPa). La série du bas a été prise quatre heures plus tard, à 5 kPa.

Problèmes d’évacuation de la chaleur

Durant les essais longue durée, la température interne du M-PHIS s’est élevée au-dessus de la limite tolérée par les échantillons biologiques qu’il contenait. Une analyse approfondie a révélé plusieurs causes potentielles :

  1. Bien que la température de la chambre hypobare ait été régulée, son système d’éclairage, composé d’ampoules au sodium à haute pression, transmettait de la chaleur au boîtier de métal du système d’imagerie. Pendant l’essai de fonctionnement initial, les lampes de la chambre étaient éteintes (aucun échantillon biologique dans la chambre). Par la suite, lors des essais d’imagerie avec des plantes, les lampes étaient allumées pour éclairer les échantillons de contrôle qui se trouvaient à l’extérieur du M-PHIS.
  2. Les ventilateurs de refroidissement du système d’imagerie se sont avérés insuffisants; en effet, en environnement hypobare, il n’y avait pas assez d’air pour évacuer la chaleur produite. Les essais de fonctionnement préliminaires étaient de trop courte durée pour permettre à l’équipe d’observer ce problème de gestion de la chaleur, qui n’a fait qu’empirer lorsque les lampes ont été allumées.
  3. Étant donné que le système d’imagerie était scellé pour prévenir toute contamination par la lumière, il y a eu accumulation de la chaleur et de l’énergie produites par les lumières de croissance. Pour régler ou minimiser le problème de chaleur, une couverture réfléchissant la chaleur a été posée sur le système, les lumières de croissance ont été gardées éteintes et la durée des essais a été réduite. À l’avenir, il est probable que les ventilateurs derrière le plateau à échantillons soient remplacés par un système de refroidissement thermoélectrique Peltier . De plus, comme les chambres hypobares du CESRF sont équipées de lignes d’irrigation pour les cultures, des conduites de refroidissement en boucle, utilisées seules ou de concert avec le refroidisseur thermoélectrique, pourraient être ajoutées pour augmenter la capacité de refroidissement.

Les vidéos suivantes ont été tournées à la Station spatiale internationale (SSI). La première séquence a été tournée au sol (Run 3A Ground) et la deuxième en vol (Run 3A flight) par un autre système d’imagerie de la protéine de fluorescente verte (PFV) développé par les scientifiques du Kennedy Space Center. Ce système fait partie du Advanced Biology Research System (ABRS).

Conclusion

Un système d’imagerie de la santé des plantes pouvant capter l’activité biologique des gènes, et traduire ces signaux en une mesure du stress des plantes, constituerait un outil de diagnostic indispensable pour les systèmes biorégénératifs de soutien à la vie. Dans cette étude, nous présentons les activités de recherche et de développement d’un système d’imagerie multispectral autonome conçu pour évaluer la santé des plantes in situ, dans des serres normales ou dans des installations de production végétale situées en environnement hostile ou simulant les conditions de l’espace. Grâce au LCTF, le système d’imagerie peut être programmé pour capter une série d’images comprenant, mais sans y être limité, la PFV et la fluorescence de la chlorophylle naturelle. Aussi, le panneau d’éclairage conçu sur mesure (DEL à commande indépendante permettant d’émettre sept longueurs d’onde centrales distinctes et d’allumer indépendamment les ampoules des parties supérieure et inférieure) pourrait être utilisé dans de nombreuses recherches, sous diverses conditions.

essais

Figure 3 Plants d’Arabidopsis cultivés verticalement à la surface de plaquettes de nutriments gélatineux afin de permettre aux scientifiques d’observer les changements de morphologie des racines.

Le système d’imagerie multispectral pour l’étude de la santé des plantes a été déployé dans une chambre hypobare et a pu capter avec succès des images à plusieurs longueurs d’onde, dont celles de la PFV et de la chlorophylle rouge/proche infrarouge. De plus, le M-PHIS est le premier système d’imagerie de fluorescence à fonctionner de façon autonome dans une chambre de culture végétale à basse pression. Son déploiement et son fonctionnement ont démontré la faisabilité du diagnostic des plantes, permettant l’observation et la commande d’expériences de biologie spatiale et de systèmes biorégénératifs de soutien à la vie. Les imageurs multispectraux constituent des outils puissants dans l’observation de la santé des plantes et marquent un grand pas dans l’atteinte de la capacité technique à envoyer des informations sur la santé des plantes par télémétrie, à partir d’un endroit extraterrestre. Les résultats de ce travail, associés à des expériences passées et futures, serviront à évaluer à distance les réponses des plantes aux environnements à basse pression.

Informations supplémentaires

Pour plus d’informations, consulter l’article de recherche suivant :
Abboud, Talal; Berinstain, Alain; Bamsey, Matthew; Ferl, Robert; Paul, Anna-Lisa; Graham, Thomas; Dixon, Mike; Leonardos, Demos; Stasiak, Michael; Noumeir, Rita. 2013. Multispectral Plant Health Imaging System for Space Biology and Hypobaric Plant Growth Studies. Insciences Journal –Sensors, 3(2), p. 24-44.

Ou le mémoire de maîtrise suivant : Abboud, Talal (2013). Systèmes d’imagerie pour l’étude de la santé des plantes et la biologie spatiale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure. 90 p.

 

 

 

Talal Abboud

Profil de l'auteur(e)

Talal Abboud détient un baccalauréat et une maîtrise en ingénierie du Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure (ÉTS). Il est actuellement concepteur en électronique au centre d'excellence de Kongsberg Automotive.

Profil de l'auteur(e)

Alain Berinstain

Profil de l'auteur(e)

Alain Berinstain a passé 17 ans à l’ASC où il a occupé le poste de directeur de l’Exploration planétaire et de l’astronomie spatiale. Depuis 2013, il se consacre à la communication de la science et de la technologie au sein de Psyence.

Profil de l'auteur(e)

Matthew Bamsey

Profil de l'auteur(e)

Matthew Bamsey est associé de recherche à l'Institute of Space Systems DLR en Allemagne. Il fait aussi partie de l’équipe du projet EDEN ISS. Il a participé à des projets de recherche à l’Université de Floride et de Guelph, et à l’ASC.

Profil de l'auteur(e)

Robert Ferl

Profil de l'auteur(e)

Robert Ferl est professeur à l'Université de Floride et directeur du Interdisciplinary Center for Biotechnology Research (ICBR). Ses intérêts de recherche sont la biologie spatiale, les protéines 14-3-3 et la structure chromatine.

Profil de l'auteur(e)

Anna-Lisa Paul

Profil de l'auteur(e)

Anna-Lisa Paul est professeure en Sciences horticole à l’Université de Floride. Ses intérêts de recherche sont la régulation de l’expression des gènes des plantes en réponse au stress abiotique et à des environnements extrêmes.

Profil de l'auteur(e)

Thomas Graham

Profil de l'auteur(e)

Thomas Graham est directeur de recherche et développement au CESRF de l’Université de Guelph. Son intérêt de recherche principal est l’optimisation de l’espace occupé par les systèmes de biorégénération de soutien à la vie.

Profil de l'auteur(e)

Mike Dixon

Profil de l'auteur(e)

Mike Dixon est professeur à l'Université de Guelph depuis 1985. Directeur du CESRF, il dirige aussi une équipe de chercheurs qui étudie la contribution des plantes au soutien à la vie humaine dans l'espace.

Profil de l'auteur(e)

Demos Leonardos

Profil de l'auteur(e)

Demos Leonardos est associé de recherche au Controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) à l’Université de Guelph.

Profil de l'auteur(e)

Michael Stasiak

Profil de l'auteur(e)

Michael Stasiak est associé de recherche principal et directeur de service technique au Controlled Environment Systems Research Facility (CESRF) à l’Université de Guelph.

Profil de l'auteur(e)

Rita Noumeir

Profil de l'auteur(e)

Rita Noumeir est professeure au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’interopérabilité dans le domaine de la santé et l’analyse, le traitement et la visualisation des images médicales.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LIVIA – Laboratoire d'imagerie, de vision et d'intelligence artificielle 

Profil de l'auteur(e)


commentaires

    Laisser un commentaire

    Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *