Die schlaue Vermessung der Pflanzenwelt

Wie kognitive Sensorik in Zeiten des Klimawandels für eine bessere Pflanzenzucht sorgt:

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 sich 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.

© Fraunhofer IIS/David Hartfiel

Forschende bei der Phänotypisierung von Pflanzen am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT in Fürth

© Fraunhofer IIS/David Hartfiel

Pflanzen in einer Klimakammer am Fraunhofer EZRT.

Röntgenlicht ermöglicht den Blick in die Erde: Kartoffelknollen in fortgeschrittener Wachstumsphase.

Was ist Phänotypisierung und wie kommt hierbei Zerstörungsfreie Prüfung zum Einsatz?

 

Stefan Gerth: Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, Pflanzensorten mittels einer Sichtprüfung auf dem Feld zu bewerten. Dieses Vorgehen ist allerdings subjektiv geprägt und somit schwer auf große Freiflächen zu transformieren. Deshalb setzen wir dreidimensionale, zerstörungsfreie Monitoring-Systeme ein, um Pflanzen möglichst vollständig, objektiv, genau und vor allen Dingen unbeschadet zu erfassen. Mit Hilfe der Zerstörungsfreien Prüfung werden Merkmale einer Pflanze, wie beispielsweise ihre Größe, der Durchmesser und das Gewicht ihrer Fruchtstände oder ihre Farben erfasst. Diese Erfassung kann sowohl durch elektrische, akustische, optische, aber auch durch Röntgenmethoden erfolgen.

 

Wie verbessert kognitive Sensorik die Prozesse im Bereich der Phänotypisierung?

 

Momentan sind viele Auswerte- und Prüfstandards an die Automobilindustrie angepasst. Pflanzen unterscheiden sich jedoch aufgrund ihrer biologischen Vielfalt enorm von den etablierten Prüfaufgaben der Automobilindustrie, weswegen wir womöglich komplett andere Aufnahmeparameter und Auswertealgorithmen benötigen. Ein Beispiel: Ein zu prüfendes Fahrzeugbauteil ist immer sehr ähnlich aufgebaut, in einer Weizenähre könnten aber beispielsweise einmal zwei und einmal dreißig Körner zu finden sein. Mit vorhandenen Methoden ist es schwierig, oder gar unmöglich, sich darauf anzupassen.

 

Der Vorteil der kognitive Sensorik liegt auf der Hand: Durch den Einsatz selbstlernender Methoden ist es möglich, dass sich Computer bei der Verarbeitung der aufgenommenen Bilder in den nachfolgenden Verarbeitungsschritten automatisiert an die biologische Vielfalt von Pflanzen anpassen. Somit liefern sie im Vergleich zu klassischen Bildverarbeitungsalgorithmen ein wesentlich besseres Auswerteergebnis. Das bedeutet konkret: Sowohl die Datenerfassung als auch die komplette Nachverarbeitung werden automatisiert an die entsprechende Pflanze bzw. die damit verbundene Aufgabenstellung angepasst.

 

Welchen Beitrag kann kognitive Sensorik für die Phänotypisierung in Zukunft leisten?

 

Das mag sich jetzt banal anhören, aber die Antwort lautet: Objektivität.

Mit Standardmethoden sind objektive Prüfergebnisse nur schwer machbar. Deshalb greifen viele Züchter auf das Expertenwissen Einzelner zurück, das ebenso sehr subjektiv geprägt ist. Mit kognitiver Sensorik kann es in Zukunft gelingen, die Pflanzenzucht auf konventionellen Wegen zu beschleunigen und sozusagen den Züchterinnen und Züchtern die Werkzeuge dafür an die Hand zu geben. Durch die Anwendung von kognitiver Sensorik in der Phänotypisierung haben wir die Möglichkeit, die komplette biologische Vielfalt und Varianz mit Sensorsystemen zu erfassen und zu vermessen.

Auf den Punkt: Phänotypisierung

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In unserer Filmreihe »Auf den Punkt« stellen unsere Forscherinnen und Forscher Fachbegriffe prägnant und leicht verständlich vor. Weitere Filme aus dieser Reihe finden Sie hier.