Thèse : caractérisation du stress abiotique des arbres à l'aide de méthodes d'ia sur les signaux acoustiques

Présentation INRAE

L'Institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l'animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

Contexte

Les stress abiotiques (par exemple, le gel, la sécheresse, le vent) causent des dommages importants aux plantes naturelles et cultivées, qui devraient s'aggraver à l'avenir avec l'augmentation de la variabilité climatique (phénomènes climatiques extrêmes). La détection des émissions acoustiques est un moyen prometteur de mesurer en continu et de manière non invasive les dommages affectant les plantes. Différentes sources d'émissions acoustiques ont été identifiées (par exemple, la formation de bulles d'air dans les tissus conducteurs, la lyse cellulaire, la rupture mécanique, voir références ci-dessous) générant des signaux acoustiques avec leurs propres caractéristiques. L'analyse des formes d'onde (amplitude, fréquence, ... ) permet de les distinguer dans des conditions de stress unique. Cependant, à ce jour, aucune étude sur un ensemble de stress (succession ou interaction) n'a été réalisée, et comme les plantes sont soumises en permanence à différents stress, l'utilisation de cette technique reste limitée (dans le temps, par exemple période de stress hydrique, ou dans l'espace, par exemple limite altitudinale). Cette étude de cas vise donc à mieux caractériser les émissions acoustiques générées par une contrainte unique et par leurs interactions, afin de développer à terme un outil capable de mesurer les dommages dans des conditions naturelles.

Objectifs

Cette étude portera sur deux aspects complémentaires :

l'analyse des signaux acoustiques afin d'en extraire les informations pertinentes (qualité du signal) ;
la comparaison des mesures acoustiques classifiées avec des mesures écophysiologiques de référence dans des sites cultivés soumis à différentes modalités de stress (par exemple, des vergers et des vignobles agroécologiques situés le long de gradients naturels).

La caractérisation de la signature acoustique permettra de mesurer les dommages générés par différents aléas climatiques et de mieux comprendre les mécanismes physiologiques de résistance aux contraintes abiotiques. La signature acoustique, intégrée à l'algorithme contrôlant les capteurs acoustiques autonomes, permettra de déclencher des alertes et une réponse adaptée à ces différentes contraintes climatiques. La conception d'un outil capable de mesurer les dommages et, idéalement, d'en atténuer les conséquences avant qu'ils ne deviennent irréversibles est essentielle pour atténuer les conséquences du stress climatique. En permettant de mieux comprendre les mécanismes physiologiques que les plantes développent pour résister au stress abiotique et, surtout, leurs interactions, il répond au défi auquel l'agroforesterie et l'agroécologie seront confrontées à l'avenir.

Vos Missions

étudier le potentiel de l'utilisation des émissions acoustiques pour détecter et mesurer les dommages causés par les stress abiotiques (sécheresse, gel, ...) chez les plantes ;
développer une méthode non invasive pour la surveillance continue de la santé des plantes ;
analyser les signatures acoustiques uniques de différents stress abiotiques sur les plantes à l'aide de méthodes d'analyse avancées.

Il s'agit d'une approche novatrice, car les recherches précédentes se concentraient sur des stress uniques, alors que dans la nature, les plantes sont soumises à des stress multiples ou interactifs. Ces objectifs seront atteints grâce au plan de travail suivant, qui garantit leur faisabilité.

Planification

Réaliser une revue littéraire sur les techniques de collecte de données utilisées pour ce projet et les techniques d'apprentissage automatique pour les ensembles de données multimodales - mois 1 - 6
Participer à une formation sur la base de données des signaux acoustiques, des stress appliqués et des indices physiologiques collectés chez différentes espèces ligneuses soumises à des stress de sécheresse et de gel - mois 3 - 6
Explorer la diversité des signaux et réaliser des expériences complémentaires afin de finaliser l'ensemble de données de formation - mois 6 - 12
Développer un processus d'analyse des données basé sur l'apprentissage automatique pour les ensembles de données multimodales et évaluer ses performances et la robustesse de ses résultats - mois
Développer et mettre en œuvre un système acoustique intelligent et valider ses résultats sur le terrain (données réelles) - mois

Aboutissement

capacité à détecter les signaux acoustiques et à mesurer les dommages causés par différents risques climatiques sur les plantes dans des conditions contrôlées ;
méthodes d'intelligence artificielle pour collecter des ensembles de données acoustiques volumineux, représentatifs et de haute qualité au fil du temps, pour supprimer le bruit et les valeurs aberrantes des données et enfin pour extraire les caractéristiques clés des données multimodales ;
surveillance assistée par l'IA des dommages sur le terrain.

Références

Charrier G., Charra-Vaskou K., Legros B., Améglio T., Mayr S. (2014a) Changes in ultrasound velocity and attenuation indicate freezing of xylem sap. Agricultural and Forest Meteorology 185,  Charrier G., Charra-Vaskou K., Kasuga J., Cochard H., Mayr S., Améglio T. (2014b) Freeze-thaw stress: Effects of temperature on hydraulic conductivity and ultrasonic activity in ten woody angiosperms. Plant Physiology 164,  Charrier G., Pramsohler M., Charra‐Vaskou K., Saudreau M., Améglio T., Neuner G., Mayr S Ultrasonic emissions during ice nucleation and propagation in plant xylem. New Phytologist 207, 570–578  Charrier G., Nolf M., Leitinger G., Charra-Vaskou K., Losso A., Tappeiner U., Améglio T., Mayr S Monitoring of freezing dynamics in trees: a simple phase shift causes complexity. Plant Physiology 173,  Kasuga J., Charrier G., Uemura M., Améglio T Characteristics of ultrasonic acoustic emissions from walnut branches during freeze–thaw-induced embolism formation. Journal of Experimental Botany 66,  Lamacque, L., Sabin, F., Améglio, T., Herbette, S., & Charrier, G Detection of acoustic events in lavender for measuring xylem vulnerability to embolism and cellular damage. Journal of Experimental Botany, 73(11),  N. Chergui and M-T. Kechadi, "Data analytics for crop management: a big data view", Journal of Big Data, 9(1), 2022,  Bansal, Y., Lillis, D. and Kechadi, M-T. A neural meta model for predicting winter wheat crop yield. Mach Learn 113, 3771–  Ngo, Vuong and Kechadi, M-T., "Electronic Farming Records - A Framework for Normalising Agronomic Knowledge Discovery", Journal of Computers and Electronics in Agriculture,, May 2021.

La thèse couvrira deux périodes. Pendant un an et demi, vous travaillerez au sein de l'université nationale d'Irlande, Dublin, (18 mois). Ensuite, jusqu'à la fin de votre thèse, vous travaillerez à INRAE, Clermont-Ferrand, France (18 mois).

En raison de la règle de mobilité MSCA, vous ne devez pas avoir résidé ou exercé votre activité principale (travail, études, ...) en Irlande pendant plus de 12 mois au cours des 36 mois précédant immédiatement votre date de recrutement.

Formations et compétences recherchées

Master/Ingénieur (Bac+5)

Formation recommandée : bac + 5 en informatique

Compétences Requises

bases de données et programmation ;
recherche opérationnelle (optimisation, théorie des graphes, modèles logistiques) ;
travail interdisciplinaire ;
intérêt pour les sciences végétales et la surveillance sur le terrain sera apprécié.

Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez (selon le type de contrat et sa durée) :

jusqu'à 30 jours de congés + 15 RTT par an (pour un temps plein) ;
d'un soutien à la parentalité : CESU garde d'enfants, prestations pour les loisirs ;
de dispositifs de développement des compétences : formation, conseil en orientation professionnelle ;
d'un accompagnement social : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
de prestations vacances et loisirs : chèque-vacances, hébergements à tarif préférentiel ;
d'activités sportives et culturelles ;
d'une restauration collective.

Salaire : 3 100€ brut par mois en France complété le cas échéant par une allocation mobilité et familiale

Modalités pour postuler

Informations Complémentaires

List of PhDs - Greenfielddata (Réf G)

Formulaire De Candidature

EUSurvey - Survey

Les personnes accueillies à INRAE, établissement public de recherche, sont soumises aux dispositions du Code de la fonction publique notamment en ce qui concerne l'obligation de neutralité et le respect du principe de laïcité. A ce titre, dans l'exercice de leurs fonctions, qu'elles soient ou non au contact du public, elles ne doivent pas manifester leurs convictions, par leur comportement ou leur tenue, qu'elles soient religieuses, philosophiques ou politiques. > En savoir plus : site fonction