Technologiezentrum Phänotypisierung: So können Zuckerrüben dem Klimawandel trotzen

Kann man am äußeren Erscheinungsbild erkennen, wie gut eine Pflanze mit Trockenstress zurechtkommt? Ja! Am Technologiezentrum Phänotypisierung des Fraunhofer IIS in Merkendorf kombinieren Forschende des Bereichs Entwicklungszentrum Röntgentechnik innovative Kameratechnik mit Röntgentechnologie. Das hilft dem Saatguthersteller Strube, seine Zuckerrüben fit für die Herausforderung Klimawandel zu machen.

Zuckerrüben gehören zu den wichtigsten landwirtschaftlichen Kulturpflanzen in Europa, weltweit gehen 20 Prozent der Zuckerproduktion auf sie zurück. Wie viele andere Pflanzen steht auch die Zuckerrübe unter Druck: Sie leidet unter den steigenden Temperaturen, Schädlingen und Krankheiten. Insbesondere der Trockenstress durch ausbleibenden Regen macht der Kulturpflanze zu schaffen. »Der Klimawandel ist in der Landwirtschaft längst Realität«, sagt Dr. Fabian Keil, Gruppenleiter Optische Phänotypisierung im Bereich Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS. Er erforscht, inwiefern das äußere Erscheinungsbild einer Pflanze Aufschluss darüber geben kann, wie gut die Pflanze mit verschiedenen Umgebungsbedingungen zurechtkommt.

»In der Pflanzenzucht ist Phänotypisierung immens wichtig, um Eigenschaften aufzudecken, die in die nächste Generation vererbt werden sollen.«

Dr. Fabian Keil

Keil und sein Team nutzen dazu die sogenannte Phänotypisierung. Zum Phänotyp, dem äußeren Erscheinungsbild einer Pflanze, zählen unter anderem die vorhandene Biomasse, die Blattgröße, die Anordnung der Blätter, die Blüte und auch die Früchte. »In der Pflanzenzucht ist Phänotypisierung immens wichtig, um Eigenschaften aufzudecken, die in die nächste Generation vererbt werden sollen«, weiß Dr. Fabian Keil. Die Ziele: Gutes Wachstum, Robustheit und hoher Ertrag.

Für ein umfassendes Bild: Zwei- und dreidimensionale Aufnahmen

Für die Phänotypisierung wurde spezielle Sensorik entwickelt, um Pflanzen mithilfe von Kameras zwei- und dreidimensional aufzunehmen. Ein Algorithmus rekonstruiert aus den Rohdaten dann ein täuschend echtes Abbild. Künftig möchten die Forschenden außerdem Nahinfrarot-Daten nutzen, um Informationen zu erhalten, die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind. Seine Erkenntnisse erprobt das Team am Technologiezentrum Phänotypisierung in Merkendorf, am dortigen Standort der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf.

In einem »Controlled Environment« testet das Fraunhofer IIS hier unzählige Umgebungsbedingungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können auf einer Fläche von 1.000 Quadratmetern in drei Klimakammern Lichtstärke und -spektrum, CO₂-Niveau, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Düngung und Bewässerung anpassen. Über ein Förderband laufen die Pflanztöpfe in die Messstationen. Das System ist für 400 Pflanzen bis zu je 2,50 Metern Höhe und einem Meter Durchmesser ausgelegt. Neben der optischen 2D- und 3D-Erkennung nutzt man in Merkendorf die langjährige Erfahrung in der Röntgentechnik.

Blick unter die Erde – Röntgentechnologie macht’s möglich

Denn während die Kameras den sichtbaren überirdischen Teil der Pflanze erfassen, nimmt ein Röntgen-CT Bilder der unterirdischen Strukturen – wie Wurzelwerk und Rübe – auf. Das erlaubt es, auch den sonst nicht sichtbaren Teil der Pflanze für die Phänotypisierung heranzuziehen, ohne sie ausgraben zu müssen. »Es dürfte weltweit einzigartig sein, dass wir ober- und unterirdisch dreidimensionale Rekonstruktionen der Pflanzen anfertigen können, ohne die Pflanze dabei in ihrem Wachstum zu beeinflussen oder gar zu schädigen«, weiß Keil.

Zusammenarbeit mit Strube: Controlled Evironment- und Feld-Daten korrelieren

Das Fraunhofer-Team hat das Experiment in Zusammenarbeit mit dem niedersächsischem Saatguthersteller Strube durchgeführt. Die Firma arbeitet kontinuierlich an der Weiterentwicklung ihres Saatguts und hat in der Vergangenheit vor allem auf Felddaten von tatsächlichen Versuchsfeldern zurückgegriffen. »Der Vergleich hat ergeben, dass die Daten aus unserem Controlled Environment mit den Feld-Daten korrelieren«, so Keil. Damit wurde gezeigt, dass Ergebnisse grundsätzlich auch auf den produktiven Anbau übertragen werden können. Mit Versuchen im Controlled Environment kann Strube nun zielgenau genetische Linien selektieren und durch Kombination Sorten züchten, die dann etwa einen gleichbleibend hohen Ertrag auch bei trockeneren Umgebungsbedingungen aufweisen.

»Wir möchten in der Lage sein, die gleiche Auswertung auch für andere Feldfrüchte durchzuführen.«

Dr. Fabian Keil

Im aktuellen Experiment konnte demonstriert werden, wie Bewässerung und phänotypische Merkmale der Zuckerrübe zusammenhängen: Bei Pflanzen mit hoher Wasserzufuhr war nicht nur die Rüben-Biomasse am größten, auch die gut sichtbare Blattfläche war am stärksten ausgeprägt. Jetzt geht der Blick von Dr. Fabian Keil in die Zukunft: »Wir möchten in der Lage sein, die gleiche Auswertung auch für andere Feldfrüchte durchzuführen«, sagt der Gruppenleiter. Neben den Auswirkungen von Trockenstress, der beim Experiment mit Strube im Fokus stand, möchte das Team des Technologiezentrums Phänotypisierung dann auch Schädlingen und Krankheiten den Kampf ansagen.

Beitrag von Julian Hörndlein, Freier Journalist und PR-Texter