Étudier les variations des signaux polliniques de la végétation méditerranéenne et ses taxons clés : apport de l'IA pour des analyses palynologiques automatisées

Assessing variations in pollen signals from Mediterranean vegetation and its key taxa from automated pollen analyses using artificial intelligence (AI)

• Auteur / Autrice : Betty Gimenez
• Direction : Odile Peyron, Céline Devaux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : EERGP-Environnement, Territoires et Sociétés
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 09/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISEM - Institut des Sciences de l'Evolution -Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Dynamique des Ecosystèmes et Changements Globaux
• Jury : Président / Présidente : Alexis Joly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Odile Peyron, Carlos Jaramillo, Emilie Gauthier, Ola Olsson, Céline Devaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Jaramillo, Emilie Gauthier

Mots clés

Mots clés libres

Palynologie

Intelligence artificielle

Région méditerranéenne

Suivi de végétation

Vigne sauvage et domestiquée

Biodiversité

Palynology

Artificial intelligence

Mediterranean region

Vegetation monitoring

Wild and domesticated grapevine

Biodiversity

Résumé

Les changements globaux dans le bassin Méditerranéen occidental menacent ses écosystèmes et fragmentent ses habitats, menaçant ainsi les espèces qui en dépendent, telles que la vigne sauvage. Cette liane héliophile a une grande valeur écologique, archéologique et agronomique, en tant qu’ancêtre sauvage de la vigne domestiquée. Cette thèse visait à (1) décrire des communautés végétales Méditerranéennes, à partir d’un suivi de pluies polliniques mené au Pic Saint Loup (Hérault), dans une zone incluant divers habitats Méditerranéens typiques, une population sauvage de vigne, et un vignoble, et (2) comparer les signatures polliniques associées à la vigne sauvage et cultivée à partir du suivi et de références d’individus de collection (Vassal-Montpellier). Ces objectifs reposent sur l’analyse d’une grande quantité d’échantillons polliniques, et sur un grand nombre de pollen par échantillon pour mieux représenter le rare pollen de vigne dans les assemblages polliniques. Pour traiter ces données polliniques et tenter de différencier le pollen de vigne sauvage et domestiquée, l’objectif primaire de la thèse était de développer des méthodes automatiques pour l’analyse pollinique. L’analyse pollinique automatisée est un objectif de longue date en palynologie, mais au début de la thèse les méthodes n’étaient pas adaptées aux échantillons environnementaux tels que les pollens issues de pièges passifs contenant de multiples taxons, une diversité de taxta, une diversité de qualités des images, et de multiples débris. Un pipeline entièrement automatisé a été développé à partir d’intelligence artificielle, et comprenant : l’acquisition d’images (Chapitre I), la détection, pour localiser les grains de pollen dans des images comprenant de multiples particules (Chapitre II), et l’identification de taxons Méditerranéens clés, y compris Vitis, à partir des particules automatiquement détectées (Chapitre III). Ce pipeline a ensuite été appliqué pour estimer la production et la taille des pollen d’individus de vigne sauvages et domestiquées de collection et pour tenter la classification de leurs pollen fertiles pourtant très similaires (Chapitre IV). La détection à partir de deep learning est très efficace même sur des images complexes et n’a pas introduit de biais majeurs entre les taxons. Les jeux de données de détection n’étant pas optimaux pour générer des annotations adaptées à la classification, cette étape a été conduite séparément, mais dans l’objectif de traiter l’ensemble des particules détectées. L’identification des taxons clés était efficace à l’exception des taxons incluant des parents proches avec des pollen similaires (e.g. Phillyrea vs Fraxinus). Pour le monitoring, les comptages automatisés étaient en accord avec les observations de terrain, et ont mis en évidence des différences entre communautés végétales et au cours du temps. Des différences entre les signatures polliniques de la vigne sauvage et domestiquée ont été identifiées in situ, à partir de leurs cortège végétal et de l’abondance du pollen fertile et stérile produit par la vigne, et dans les références, avec plus de grains de plus petites tailles produits par les individus domestiques. Les modèles CNN n’ont pas différencié le pollen fertile des deux sous-espèces. Ces résultats soulignent le potentiel du suivi de la végétation étudier des changements spatiaux et temporels des taxa clés en Méditerranée, et invitent à une étude plus approfondie du signal pollinique de la vigne sauvage et cultivée en tant qu’outil pour retracer son histoire. Cette thèse a contribué à faire progresser la palynologie automatisée vers des méthodes applicables au réel, à rendre ces approches plus accessibles en utilisant des outils abordables et faciles d’utilisation, et en mettant en ligne les jeux de données. Ces méthodes automatiques, pour compter du pollen ou étudier des taxons spécifiques, peuvent déjà soutenir la recherche en palynologie ou plus généralement basée sur le pollen.

Intense global changes are threatening the ecosystems in the Western Mediterranean basin, leading to habitat fragmentation and loss that put species at risk of extinction, e.g. the wild grapevine. This heliophilous liana, holds high ecological, archaeologic and agronomic values, being a relative of the domesticated grapevine. In that context, the thesis aimed to (1) assess spatial and temporal changes in key Mediterranean plant taxa from pollen rains, and (2) investigate differences in the pollen signature of wild and domesticated grapevines, notably given its potential for paleo-ecology. To do so, pollen samples from a vegetation monitoring conducted in an area harboring typical Mediterranean plant communities, a relic population of wild grapevines, and a commercial vineyard (Pic St Loup, France), and also from grapevine reference individuals from the Vassal-Montpellier collection were analyzed. To process the large amount of samples, generate extensive counts to detect the scarce grapevine in pollen assemblages, the primary objective of this thesis was to develop automated pollen analysis methods. Automating pollen analysis has been a long-standing objective in palynology, but when this PhD started, developments were not fully adapted to environmental samples originating from passive traps containing an uncontrolled diversity of pollen taxa, pollen of varying preservation states, and occurring with many non-pollen particles, such as spores and debris. To process the samples from the vegetation monitoring, a fully automated pollen analysis pipeline was developed, including : image acquisition (Chapter I); detection, i.e. locating pollen grains in images containing multiple pollen and non-pollen particles using the YOLOv5 algorithm (Chapter II); classification, i.e. identifying key Mediterranean taxa, including Vitis, among all automatically detected particles using the ResNet algorithm (Chapter III). From the predictions of the pipeline, pollen production, pollen sizes were estimated. The pipeline was adjusted to discriminate similar pollen morphotypes of wild and domesticated grapevines from known individuals (Chapter IV). Detection proved very efficient even in noisy images (<5% error including largely covered or damaged pollen), and did errors were similar accross taxa, thus not introducing major biases. Classification could not be conducted jointly with detection due to inadequacy of the detection dataset for that task and was developed separately but considering the full range of detected particles. Automated classification was efficient for 15 target Mediterranean taxa, except for taxa occurring alongside relatives with similar moprhotypes (e.g. Phillyrea vs Fraxinus). Automated pollen counts were consistent with field observations, and displayed distinct patterns informing on main vegetation types and on few temporal changes. Distinct pollen signatures of the wild and domesticated grapevines were observed in situ from their accompanying vegetation and the abundance of its fertile and sterile morphotypes, and in collection, with larger production of smaller grains in domesticated individuals. CNN models did not differentiate the fertile pollen from both subspecies. These results highlight the potential of the monitoring to assess spatial and temporal changes in key Mediterranean habitats, and call for further investigation concerning the wild grapevine pollen signature as a tool to trace its history in the Mediterranean region. This thesis contributed to advance automated palynology for the analyses of environmental pollen samples, making also the automated methods accessible, affordable and user-friendly. This thesis takes part in the latest stage in developments targeting methods that can be applied to the real-world. Automated pollen data, to count pollen or monitor specific taxa, can already help pollen-based research.