Ertragreiche Pflanzen erkennen und nutzen

Die Folgen des Klimawandels sind äußerst vielschichtig und treffen Entwicklungsländer besonders stark. Steigende Temperatur en haben beispielsweise zur Folge, dass Regionen unbewohnbar wer den und Menschen vom überlebenswichtigen Zugang zu Trinkwasser abgeschnitten werden. Aber auch wohlhabendere Länder bleiben von den Folgen des Klimawandels nicht ver­schont und wer den zum Umdenken gezwungen – insbesonder in der Landwirtschaft. Pflanzen können sich auf die Auswirkungen des Klimawandels nicht schnell genug einstellen, sodass vor allem solche Sorten gezüchtet wer den müssen, die sich besonders gut an die vorherrschenden Bedingungen angepasst haben. In unserem Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT beschäftigen wir uns deshalb mit zerstörungsfreiem Monitoring und der Analyse von Pflanzen.

 

Viele Pflanzensorten, wie etwa Kartoffeln, Weizen, Reis oder auch Maniok, kommen nur schwer mit den sich ändernden klimatischen Verhältnissen in der Welt zurecht. Um den wandelnden Bedingungen angemessen zu begegnen, analysieren wir, wie Pflanzensorten auf diese Umwelteinflüsse reagieren. Die sogenannte Phänotypisierung ist eine Möglichkeit, um Pflanzen zu identifizieren, die z. B. auch bei hohen Temperaturen ausreichend Ertrag liefern.

Realitätsnahe Umgebung für Pflanzenanalyse

»Prinzipiell ist es möglich, Pflanzensorten mittels einer Sichtprüfung auf dem Feld zu bewerten. Dieses Vorgehen ist allerdings subjektiv geprägt und dadurch ungenau. Wenn eine Person Hunderte Pflanzen nacheinander mit Schulnoten bewerten würde, ist zwar eine Tendenz erkennbar, das Ergebnis wird allerdings immer variieren. Deshalb setzen wir zerstö­ rungsfreie Monitoring-Systeme ein«, erklärt Oliver Scholz, Leiter der Gruppe Systeme am Entwicklungszentrum Röntgentechnik. Um aussagekräftige Daten zu erhalten, beobachten wir Versuchsreihen von Dutzenden Pflanzen. Hierfür stehen an unserem Standort Fürth ein Gewächshaus sowie mehrere Klimakammern zur Verfügung, in denen definierte klimatische Bedingungen realitätsnah simuliert werden können.

»Blattgrösse und -fläche, Neigung oder auch Biegung können wir direkt ablesen und präzise analysieren.«

© Fraunhofer IIS/David Hartfiel
Klimakammer zur Simulation verschiedener klimatischer Bedingungen.
© Fraunhofer IIS/David Hartfiel
Laserlichtschnitt: Ein Laser mit einer speziellen Aufweitungsoptik projiziert eine Lichtlinie auf die Oberfläche des zu erfassenden Objekts. Die Lichtlinie folgt dabei der Kontur der Oberfläche, so dass die Kurvenform dem Höhenverlauf der Oberfläche entspricht. Durch eine Auswertung der Position der Lichtlinie während der Bewegung des Objekts wird die Oberfläche komplett vermessen und zu einem 3D-Datensatz zusammengefasst. Für eine vollständige Rundumansicht werden mehrere Lichtschnittsensoren kombiniert. Zur Auswertung wird diese Information über die Objektoberfläche einer Bildverarbeitung zugeführt.
Eine Software errechnet die wesentlichen Parameter eines Blattes. So lassen sich beispielsweise Blattgröße und -fläche, Neigung oder auch Biegung direkt ablesen und präzise analysieren.

Identifikation von ertragreichen Pflanzen

Pflanzen bestehen aus ober- und unterirdischen Organen. Wichtige Indikatoren, die das Wohlbefinden und die Fruchtbarkeit einer Pflanze widerspiegeln, liegen über der Erdoberfläche. Insbesondere ihre Blätter, die »Solarpanels einer Pflanze«, liefern wertvolle Informationen. Um die Blätter und deren Entwicklung zu beobachten, eignen sich optische Monitoring-Technologien wie beispielsweise das 3D-Laserlichtschnittverfahren.

»Mit unserem 3D-Planzenscanner nehmen wir im Wesentlichen dreidimensionale Fotografien einer Pflanze auf. Hierbei projiziert ein Lichtschnittlaser eine schmale Linie auf die Blattober­ fläche. Während diese Linie das Blatt abfährt, zeichnet eine Kamera die Verschiebung der Linie auf. So werden in nur wenigen Sekunden Millionen von 3D-Koordinaten aufgezeichnet, die die Oberfläche des Blattes beschreiben«, erklärt Scholz.

Nachdem es sich um größere Versuchsreihen von Pflanzen handelt, die über einen längeren Zeitraum beobachtet werden, fallen bei diesem Vorgehen große Mengen an Koordinaten­ daten an. Um die Daten der einzelnen Blätter der Pflanzen miteinander vergleichen zu können, haben wir eine spezielle Software entwickelt, die wesentliche Parameter eines Blattes in einem aufwendigen Verfahren errechnet und diese in erheblich kleineren Daten­ paketen bereitstellt. So lassen sich beispielsweise Blattgröße und -fläche, Neigung oder auch Biegung direkt ablesen und präzise analysieren. Biologinnen und Biologen nutzen diese phänotypischen Daten, um sie mit mikrobiologischem Wissen zu verknüpfen. So ist man in der Lage, den biologischen Mechanismus zu identifizieren, der dieser Pflanzensorte erlaubt, unter extremen Bedingungen dennoch zu gedeihen und ausreichend Ertrag zu liefern.

Der unterirdische Röntgenblick – 3D-CT in wenigen Minuten

Auch unter der Erde befinden sich Pflanzenteile, wie beispielsweise Wurzelstrukturen oder Fruchtstände, die bedeutende Informationen, wie z. B. ihre Biomasse, in sich bergen. Optische Monitoring-Technologien stoßen hier allerdings an ihre Grenzen: Aus diesem Grund machen wir uns Röntgenlicht zunutze.

Röntgenbildgebung und -mikroskopie haben sich in den vergangenen Jahrzehnten enorm weiterentwickelt. Selbst große Prüfobjekte aus Stahl oder anderer metallischer Zusammenset­ zung lassen sich problemlos untersuchen. Winzige Materialfehler, beispielsweise in Alufelgen oder Zylinderkopfgehäusen, sind mit heutigen Systemen eindeutig erkennbar und klassifi­ zierbar. Forschende, die sich mit der Phänotypisierung beschäftigen, sehen sich allerdings mit ganz anderen Herausforderungen konfrontiert. »Anders als bei vielen Industrie- und Laboranwendungen kommt es bei der Phänotypisierung nicht in erster Linie auf gestochen scharfe Bildqualität an. Unser limitierender Faktor ist die Aufnahmedauer«, erklärt Dr. Stefan Gerth, Leiter der Gruppe Innovatives Systemdesign. »Mit eigens entwickelten Laborsystemen streben wir einen Kompromiss aus aussagekräftigen Bilddaten sowie einer stark verkürzten Messdauer an«, ergänzt Gerth.

Die Dauer der Messung ist deshalb wichtig, weil für gewöhnlich eine ganze Reihe von Pflanzen vermessen wird. Längere Messzeiten sind zum einen nicht wirtschaftlich realisierbar. Zum anderen wird die Pflanze durch einen langen Aufenthalt in einer Röntgenanlage ausihrem gewohnten klimatischen Umfeld »gerissen«, was die Aussagekraft der Ergebnisse erheblich beeinflusst. Deshalb optimieren wir am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgen- technik EZRT unsere Röntgensysteme dahingehend, dass sie in der Lage sind, Pflanzen in rund fünf bis sieben Minuten vollständig zu tomographieren. Neben speziell abgestimmten Hardwarekomponenten spielt auch die eingesetzte Software eine zentrale Rolle. Bedingt durch die kurze Aufnahmezeit ist das Quellmaterial verrauscht und somit nur schwer zu verarbeiten. Intelligente Algorithmen kompensieren diesen Umstand weitgehend und sind so in der Lage, die Pflanzenorgane vollautomatisch von der überflüssigen Erde zu trennen.

Im darauf folgenden Verarbeitungsschritt ermittelt die automatische Software sowohl das Aspektverhältnis der Frucht- und Wurzelstrukturen als auch das Gewicht der Pflanzenorgane. »Um belastbare Aussagen treffen zu können, beobachten wir die Messreihen über mehrere Wochen und Monate hinweg. Anhand eines Diagramms im Zeitverlauf können wir nach Ende des Experiments bestimmen, wie sich das unterirdische Wachstum der Pflanzen ent­ wickelt hat«, erklärt Joelle Claußen, die bereits Tausende Pflanzen am Entwicklungszentrum Röntgentechnik vermessen hat. »Obwohl wir mit unseren Versuchsreihen eine außerordent­ lich hohe Trefferquote erreichen, können reale Umwelteinflüsse nie zu 100 Prozent durch eine Gewächshausumgebung simuliert werden. Aus diesem Grund verifizieren Biologen die Forschungsergebnisse nochmals unter Realbedingungen«, sagt Claußen.

Mit der Unterstützung nationaler und internationaler Partner aus Wirtschaft und Forschung sind wir zuversichtlich, das wir mit zerstörungsfreien Monitoring-Systemen einen Beitrag leisten, um den Folgen des Klimawandels angemessen zu begegnen.

Röntgenlicht ermöglicht den Blick in die Erde: Kartoffelknollen in unterschiedlichen Wachstumsphasen.
Das Prinzip der 3D-Comptertomographie Bei der dreidimensionalen Computertomographie (CT) werden aus unterschiedlichen Richtungen mehrere Röntgenbilder, sogenannte Projektionen, erzeugt. Anders als bei CT-Geräten im medizinischen Bereich wird das Objekt bei industriellen CT-Systemen häufig auf einem Drehteller fixiert und zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor platziert. Während der Rotation des Objekts um die eigene Achse wer­ den die Projektionen aufgenommen.