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Growth of the wheat grain investigated by morphometry and shape registration on 3D tomography images

Abstract

The objective of the thesis was to develop a method for analyzing the growth of wheat grain over several developmental stages using CT images. X-ray micro-CT imaging has been validated for acquiring volumetric images of whole wheat grains, which are small and highly hydrated organs. The micro-CT images allowed to virtually observe and identify the internal structure within a wheat grain without physical dissection. A image processing workflow was developed to quantify 3D morphometry of the grain. Classical dimensions of the whole grain (length, width, thickness) were computed and shown to be in agreement with manual measurements. New morphological features such as volume of main internal compartments, crease's depth along grain length and curvature maps were also computed. This allowed a more detailed description of the changes of the grain shape over its development. Shape registration-based was developed for the analysis of the grain growth. The workflow consisted of computation of the representative grain for each developmental stage. Deformable models were applied to compute the geometric deformations between representative shapes of two consecutive developmental stages. Several geometric characteristics derived from the computed deformations revealed some specific regions on the grain where the changes in shapes and the growth of the grain are very active. Our pipeline is generic enough to accommodate various wheat lines as well as other organs and species

Résumé

Ce travail a permis de développer une méthode d’analyse de la croissance en 3D d’un grain de blé. Des images 3D, obtenues par micro-tomographie-RX sur des grains à différents stades de développement, ont permis non seulement d’étudier la morphologie externe des grains mais également de visualiser de manière non destructive leur structure interne, y compris pour des grains de petite taille et fortement hydratés. Une chaîne de traitements d’images a été mise au point pour quantifier la morphologie 3D des grains. Des mesures classiques telles que la longueur, largeur et épaisseur des grains ont été obtenues et se sont révélées cohérentes avec des mesures manuelles. De nouveaux traits, tels que le volume des compartiments internes, la profondeur du sillon tout le long du grain ainsi que des cartes de courbures 3D ont été extraits de l’analyse. Par ailleurs, une approche de recalage des images a été mise en œuvre pour étudier les changements de forme au cours du développement des grains. Pour chaque stade de développement, la forme d’un grain moyen représentatif a été déterminée, puis des modèles de déformations ont été appliqués pour simuler les transformations des grains moyens entre deux stades consécutifs. Les propriétés géométriques obtenues permettent de révéler les zones des grains à croissance active. L’ensemble des opérations développées est original et suffisamment générique pour être appliqué à d’autres organes en croissance.

Composition du jury

Referees (rapporteurs) :

• Philippe ANDREY, Directeur de recherche, INRAE Versailles
• Laure TOUGNE, Professeure HDR, Université Lumière Lyon 2

Inspectors (examinateurs):

• Olivier ALI, Chargé de recherche, INRIA Lyon
• Nicolas NORMAND, rofesseur HDR, Université de Nantes
• Diana MATEUS, Professeur HDR, École Centrale de Nantes
• Lionel DUPUY, Professeur, NEIKER, Derio, Espagne

Invited member (Membre invité)

• David LEGLAND, Ingénieur de recherche, INRAE Nantes
• Christine GIROUSSE, Ingénieur de recherche, INRAE Clermont-Ferrand

Thesis director (Directeur de these): Anne-Laure CHATEIGNER-BOUTIN, Chargée de recherche, INRAE BIA Nantes