Neue Analysemethode zur Untersuchung von Weizenähren auf Stresstoleranz entwickelt

Gemeinsame Studie der Universität Adelaide und des Entwicklungszentrums Röntgentechnik EZRT / 04. März 2020

Fürth/Adelaide, Australien: Im Rahmen einer Studie haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität von Adelaide (Australien) zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS eine Analysemethode basierend auf Computertomographie (CT) entwickelt, um große Mengen von Weizenähren auf Trockenheits- und Hitzetoleranz zu untersuchen. Durch die Methode soll eine genauere und viel schnellere Analyse der Weizenähren möglich sein und damit der Züchtungsprozess für Pflanzen beschleunigt werden, die besser an den Klimawandel angepasst sind. Weiterhin wird sich den Forschenden auch die Chance bieten, einige Getreidemerkmale automatisch zu analysieren, bei denen dies manuell bisher nur schwer oder gar nicht möglich war.

Eingefärbtes 3D-Rendering eines CT-Datensatzes einer Weizenähre
© Fraunhofer IIS
Mit einer neuen Analysemethode, die auf Computertomographie (CT) basiert, sind Forschende in der Lage, auch große Mengen von Weizen auf Trockenheits- und Hitzetoleranz zu untersuchen. Im Bild: Eingefärbtes 3D-Rendering eines CT-Datensatzes einer Weizenähre.
Körner werden durch unterschiedliche Farben voneinander abgegrenzt
© Fraunhofer IIS
Die neue Analysemethode ermöglicht den Forschenden die Analyse von Merkmalen wie Korngröße, Kornmorphologie und Korngewicht. Die einzelnen Körner werden im Bild durch unterschiedliche Farben voneinander abgegrenzt.

Die Studie, welche in der Zeitschrift Plant Methods veröffentlicht wurde, ist eine Zusammenarbeit zwischen der School of Agriculture, Food and Wine der Universität Adelaide und dem Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT des Fraunhofer IIS. Laut Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität von Adelaide sowie des Fraunhofer EZRT können mit der neuen Methode Kornmerkmale mit hoher Genauigkeit und schnellem Durchsatz gemessen werden.

Die Hauptautorin der Studie Dr. Jessica Schmidt von der Universität Adelaide betont, dass die Forschenden eine genaue Analyse der Kornertragskomponenten entlang jeder Weizenähre benötigen, um die für den Kornertrag und die Stresstoleranz verantwortlichen Gene zu identifizieren. Bisher werden Ertragsdaten durch grobes maschinelles Dreschen von Feldversuchen mit vielen verlorenen oder zerstörten Samen oder – im Falle von Gewächshausversuchen – oft nur durch mühsames, kostspieliges und zeitaufwändiges Dreschen von Hand und durch manuelle Messungen gewonnen.

Robustes, schnelles und genaues System zur Bewertung von Sorten

»Dieses System ermöglicht nicht nur eine viel genauere, sondern auch eine schnellere Lösung zur Bestimmung selbst kleinster Unterschiede in den Korneigenschaften«, so Dr. Schmidt. »Dadurch können wir eine viel größere Anzahl von genetisch unterschiedlichen Pflanzen vergleichen – was wichtig ist, um genomische Regionen und Stressmechanismen zu identifizieren, die es den Pflanzen ermöglichen werden, sich unter dem Klimawandel gut zu behaupten. Es ermöglicht uns auch die Analyse von Merkmalen, die entweder sehr schwierig und/oder zeitaufwendig zu analysieren waren, wie Korngröße, Kornmorphologie und Korngewicht entlang der Ähre, was relevant ist, wenn Stress zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung auftritt. So haben wir beispielsweise in den vergangenen Jahren bestimmte Arten von Saatgutmorphologien beobachtet, die durch Trockenheits- und Hitzestress verursacht wurden, welche aber nie kategorisiert oder analysiert werden konnten.«

Laut der wissenschaftlichen Direktorin der Zweigstelle der Australian Plant Phenomics Facility in Adelaide, Dr. Bettina Berger, ist es »wichtig, dass diese Methode automatisiert werden kann – so können wir mit hoher Auflösung hunderttausend Weizenähren in nur wenigen Monaten messen. Das bedeutet, dass wir in der Lage sein werden, das Getreide aus großangelegten genetischen Studien und Zuchtprogrammen zu analysieren, bei denen jedes Jahr Hunderttausende von Getreideköpfen bewertet werden müssen.«

Forscherin Joelle Claussen vom Fraunhofer IIS: »Die Computertomographie ist eine gut etablierte Technik in der Medizin, aber die Versuche, sie für die Phänotypisierung von Pflanzen anzupassen, hatte einige technische Herausforderungen zur Folge. Wir konnten ein System entwickeln, das ein viel schnelleres Scannen sowie die Rekonstruktion der morphologischen Veränderungen ermöglicht, die für Weizen unter Stress charakteristisch sind. Es ist ein robustes, schnelles und genaues System zur Bewertung von Sorten im Hinblick auf einen verbesserten Ertrag und eine verbesserte Klimaresistenz.«