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ET INNOVATION DE L'ÉTS

Faire pousser 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.

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.

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.

Stephen Braham
Polymath Develoment Group de l’Université de Simon Fraser. Il est aussi vice-président du Mars Institute.

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 

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.

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.

Photo illustrant article à propos de faire pousser des plantes sur mars

Avant de travailler avec l’Agence spatiale canadienne sur ce projet lors de ces études à l’ÉTS, Talal Abboud a obtenu un diplôme du Cégep Ahuntsic en technologie de l’électronique.

Note de l’éditeur

Comme Matt Damon le réalise très rapidement dans le film Seul sur Mars, la culture des plantes est une étape incontournable au maintien de la vie humaine sur une autre planète. Entre le passage des astronautes et celui d’éventuels colons, des plantes devront donc être semées dans des serres. Comment faire pour maintenir ces plantes en bonne santé dans un environnement hostile comme celui de Mars alors que l’être humain le plus près est à 225 millions de kilomètres? Des scientifiques se sont penchés sur la question.

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.

Utilité des plantes pour la colonisation extraterrestre

L’utilisation des plantes comme partie intégrante des systèmes de soutien de la vie demeure la base des stratégies des voyages de longue durée, de l’habitation humaine dans l’espace et de la colonisation extraterrestre. L’Agence spatiale canadienne fait partie d’une équipe qui étudie la possibilité de maintenir la présence humaine sur la Lune et sur Mars en implantant des serres. L’avantage de ces serres réside dans leur capacité à fournir, dans une boucle fermée, un système de régénération des trois piliers de soutien de la vie (Bamsey et al., 2009b), comme :

  1. la provision de biomasses comestibles,
  2. la gestion de l’atmosphère, principalement CO2 et O2,
  3. la production d’eau potable.

D’où l’importance de bien comprendre les enjeux métaboliques qui peuvent influencer la croissance des plantes et leur développement dans l’espace.

Des gènes modifiés naturellement

Les vols spatiaux et les environnements extraterrestres fournissent des défis uniques pour la vie végétale. Ces défis nécessitent souvent des changements au niveau de l’expression des gènes pour s’adapter et survivre à de nouvelles conditions. Les plantes ont un avantage précieux : elles possèdent des systèmes de détection moléculaire très sophistiqués qui surveillent leur physiologie et les situations de stress potentielles. Comme tout organisme vivant, les plantes observent en permanence leur environnement et font des ajustements à leur physiologie en fonction de leurs besoins environnementaux. De nombreux ajustements sont effectués sur leur plan de leurs gènes. Les modifications des conditions environnementales, presque uniformément, conduisent à des changements dans la régulation des gènes.

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Ces ajustements fournissent l’état moléculaire altéré au sein de la cellule végétale qui permet à la plante de survivre, et même de prospérer, dans les nouvelles conditions environnementales. Ce procédé de surveillance de l’environnement a été le sujet de plusieurs études en biologie moléculaire végétale (Manak et al., 2002; Paul et al., 2011). L’inductibilité de ce procédé causé par l’environnement offre un interrupteur manipulable, une poignée qui permet au chercheur d’activer ou de désactiver un gène de stress particulier (Manak et al. 2002). Marquer ces gènes permet de suivre et d’évaluer leur activité.

La protéine fluorescente verte

Bien que plusieurs catégories de marqueurs se soient révélées précieuses pour une variété d’applications, la protéine fluorescente verte (PFV) est utilisée de plus en plus fréquemment. L’avantage principal du PFV est que la procédure de dosage n’affecte pas la croissance des plantes et leur développement, tandis que d’autres méthodes nécessitent l’ajout d’un substrat et souvent sacrifient les plantes (Paul et al., 2008). Le Green Fluorescent Protein (GFP) ou PFV en français a un potentiel énorme pour devenir le système idéal de marqueur des gènes, en particulier dans les environnements orbitaux et extraterrestres, où le retour d’échantillons est extrêmement difficile. Pour visualiser la PFV, les plantes doivent être excitées avec une longueur d’onde spécifique et leur diffusion doit être détectée à une longueur d’onde distincte de la lumière d’excitation. La plante n’est pas endommagée au cours du processus.

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De nombreux systèmes commerciaux sont offerts pour l’imagerie et la capture de la fluorescence. Mais la plupart des procédures analytiques impliquent un examen en laboratoire, ce qui ne peut s’appliquer aux premières expériences biologiques en orbite terrestre élevée (Lune ou Mars) où les renseignements doivent nécessairement être transmis à la Terre par télémétrie. Le défi consiste donc à développer un système autonome qui transmettrait les images nécessaires à la prise de décision pour commander à distance le soin des plantes.

Système d’imagerie autonome

Un système autonome d’imagerie de plantes marquées au PVF a été intégré dans la serre d’Arthur Clarke (ACMG) à la station de recherche du Haughton Mars Project sur l’île Devon, au Nunavut, dans le Haut-Arctique canadien (Bamsey et al., 2009a).

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Serre Arthur Clarke et sa réplique au siège social de l’Agence spatiale canadienne à Longueuil, Québec.

Durant la conception, il a fallu prendre en considération plusieurs contraintes :

  1. La nécessité d’avoir un système à faible consommation d’énergie puisqu’il devait être déployé dans une région éloignée, ayant une source d’énergie renouvelable limitée. De plus, une seule source de 24 V en courant continu alimentait tous les éléments du système.
  2. La nécessité d’intégrer le système d’imagerie aux systèmes de contrôle, de communication et d’acquisition de données existants de la serre. Le matériel et le logiciel du système d’imagerie se devaient d’être complètement compatibles aux systèmes de la serre, qui avaient été conçus plus de dix ans auparavant et mis à niveau tous les ans.
  3. La nécessité de concevoir un système d’excitation dont les longueurs d’onde produites ne chevauchaient pas l’émission de fluorescence capturée par le système d’imagerie. La contamination des lumières d’émission par la source d’excitation peut entraîner une grande perte d’information et d’importantes répercussions négatives sur les mesures.

Des plantes toujours en santé au bout d’un an

Le prototype d’imagerie a été déployé et intégré à la serre de l’île Devon. Il a fonctionné avec succès de façon autonome pendant une année entière en absence d’humain et a été commandé par le système de communication par satellite de la serre. Le système a mesuré la fluorescence des plantes génétiquement modifiées au moyen de PFV fusionnée à leurs gènes révélateurs pour simuler le suivi de multiples sources de stress. Les images ont été enregistrées localement en haute résolution et envoyées en basse résolution par télémétrie vers le sud, à un serveur situé à PolyLAB à l’Université Simon Fraser.

Plantes matures

Au printemps, une anomalie a été détectée. Le mode de défaillance suspecté a été cerné et un plan simplifié a été élaboré, puis donné aux premiers scientifiques qui ont débarqué sur l’île. Cette anomalie a servi d’exercice pratique pour expérimenter un éventuel processus de réparation sur la Station spatiale internationale.

À suivre…

Un autre article décrivant la serre Arthur Clarke suivra bientôt.

Informations supplémentaires

Pour plus d’informations, consulter l’article de recherche suivant :
Abboud, Talal; Bamsey, Matthew; Paul, Anna-Lisa; Graham, Thomas; Braham, Stephen; Noumeir, Rita; Berinstain, Alain; Ferl, Robert. 2013. Deployment of a Fully-Automated Green Fluorescent Protein Imaging System in a High Arctic Autonomous Greenhouse. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI) –Sensors, 13 (3), pp. 3530-3548.

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.

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)

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)

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)

Stephen Braham

Profil de l'auteur(e)

Polymath Develoment Group de l’Université de Simon Fraser. Il est aussi vice-président du Mars Institute.

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  SYNCHROMÉDIA – Laboratoire de communications multimédias en téléprésence 

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)

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)


commentaires
  1. Fagot dit :

    Bonjour,
    J aimerais savoir quand la suite de l expérience sera partagée!
    Merci beaucoup

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