Heiße, trockene Sommer setzen der Landwirtschaft zu. Umso wichtiger wird, widerstandsfähige Nutzpflanzen zu züchten: eine Aufgabe, an der Ingenieurinnen und Ingenieure tatkräftig mitarbeiten.
Ein Feldroboter untersucht Körner in den Ähren. Damit können Forschende hitze- und trockenheitsresistente Züchtungen selektieren.
Foto: Fraunhofer IIS
Nach einem Sommer mit Hitzerekorden ist der Klimawandel bei vielen Menschen präsenter denn je. Läuft die Entwicklung weiter wie bisher, könnten extrem heiße und trockene Sommer bald alle zwei Jahre auftreten. Das zeigen mehrere Simulationen. Zwar ist die Politik bemüht, den Klimawandel zu begrenzen. Doch die Aussichten auf eine Besserung sind angesichts der Energiekrise kurzfristig eher schlecht.
Als große Herausforderung bleibt, Pflanzen zu züchten, die tolerant gegen Hitze sowie gegen Trockenheit sind und dennoch gute Erträge liefern. Ergebnisse sollten in möglichst kurzer Zeit vorliegen; der Bedarf ist groß. Forschende am Fraunhofer-Entwicklungszentrum für Röntgentechnik EZRT zeigen jetzt, wie sich die Selektion geeigneter Sorten mit moderner Technik beschleunigen lässt. Dazu gehören sowohl ein Feldroboter als auch ein Röntgengerät, um herauszufinden, ob neue Pflanzen die gewünschten Eigenschaften haben – oder nicht.
„Die Menschen selektieren bereits seit Jahrtausenden Nutzpflanzen anhand äußerer Merkmale“, erklärt Stefan Gerth, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS. „Wir entwickeln Technologien, um diese phänotypischen Merkmale objektiv zu messen und anhand der Daten die Züchtung zu optimieren.“ Wie gehen die Ingenieurinnen und Ingenieure dabei konkret vor?
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Den Ertrag hitzetoleranter Pflanzen direkt am Feld erfassen
Dazu statteten die Forschenden einen speziellen Feldroboter mit unterschiedlichen Sensoren aus. Bei BlueBobs, so der Name, handelt es sich um einen autonom navigierenden Feldroboter. Auf dem Weg durch eine Bepflanzung nimmt er dreidimensionale Bilder aller Gewächse entlang der Strecke auf. Gleichzeitig wird die Vegetation durchleuchtet – Röntgenstrahlung liefert bekanntlich mehr Einblicke in Strukturen als Licht. Erfasst werden unter anderem die Blattgröße, die Blattstellung, die Wurzeldicke sowie der Ertrag. Kartoffelknollen oder Wurzelstöcke müssen nicht ausgegraben werden: ein immenser Vorteil. „Anhand der 3D-Röntgen-Scans können wir das Gewicht der Knollen bestimmen, ohne sie auszugraben“, so Gerth.
Solche Parameter helfen Züchterinnen und Züchtern, zu beurteilen, ob die Pflanzen den Erwartungen entsprechen. Möglich sind auch Blicke in das Innere von Kartoffel oder Ähren: Hat sich der Ertrag durch die Trockenheit stark verringert? Je nach den Eigenschaften werden bestimmte Sorten dann ausgewählt.
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Daten der Bildgebung mit künstlicher Intelligenz kombinieren – für hitzetolerantere Pflanzen
In den Daten der Bildgebung steckt viel Potenzial. Die Ingenieurinnen und Ingenieure arbeiten auch mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI), um weitere Informationen zu gewinnen. Solche Tools bieten die Möglichkeit, weitere Erkenntnisse daraus zu gewinnen. „Mithilfe von künstlicher Intelligenz wird der Phänotyp jeder einzelnen Pflanze analysiert und in Unkraut und Rübe klassifiziert“, sagt Christian Hügel. Er ist Abteilungsleiter Saatgutforschung Produktion Zuckerrübe beim Pflanzenzüchter Strube.
BlueBob scannt seine Umgebung und nimmt ständig Daten auf. Die KI kann unterscheiden, ob es sich um Nutzpflanzen handelt – oder um Unkraut. Unerwünschte Pflanzen entfernt der Feldroboter sofort mit statischen Hacken und mit aktiven Werkzeugen. Das spart Unkrautvernichtungsmittel ein.
Im Labor geeignete Sorten selektieren
Präzisere Messungen von Strukturen gelingen im Labor. Dazu haben die Ingenieurinnen und Ingenieure eine speziell klimatisierte Umgebung entwickelt, mit der sie Stressfaktoren wie Hitze und Trockenheit simulieren. Beispielsweise steht am Fraunhofer EZRT in Fürth ein Computertomograf, grob vergleichbar mit dem Gerät aus der Medizin.
Per Förderband rollen einzelne Töpfe in das Gerät; jede Messung dauert fünf Minuten. Im Experiment setzen die Forschenden die Pflanzen im Labor Hitze und Trocken Hitzestress aus; weitere Scans folgen. Anhand der Bildgebung können sie verfolgen, welchen Einfluss solche Stessfaktoren haben und ob sich beispielsweise trotzdem kräftige Knollen bilden.
Die Geräte selbst werden immer besser. Während erste CTs vor allem dicke Wurzeln und Knollen darstellen konnten, bilden leistungsstarke Systeme auch feine, unterirdische Strukturen zerstörungsfrei ab. Auch oberirdische Teile lassen sich präzise darstellen oder vergleichen. Verändern Blätter vielleicht ihre Größe, ihre Form oder ihre Drehung, um vor Sonne zu schützen? Oder rollt sie Blätter durch den Trockenheitsstress ein, und die Leistung der Photosynthese sinkt? So werden hitzetolerantere Pflanzen selektiert, was der Landwirtschaft in den nächsten Jahren helfen könnte.
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