Weltweit erste feldtaugliche Phänotypisierungsplattform „BreedVision“ erfolgreich getestet

Die neue Phänotypisierungsplattform BreedVision im Einsatz Arno Ruckelshausen / Hochschule Osnabrück

Seit 2012 entwickeln mehrere Partner in dem Projekt PredBreed ein auf modernen Sensoren basierendes Verfahren zur schnellen, nicht-invasiven und präzisen Phänotypisierung von Pflanzen im Feld.

Beteiligt sind die Landessaatzuchtanstalt an der Universität Hohenheim, die Hochschule Osnabrück und – koordiniert über die Gemeinschaft zur Förderung von Pflanzeninnovation e. V. (GFPi) – die Firma Saatzucht Dr. Hege sowie die Unternehmen HYBRO Saatzucht, Nordsaat Saatzucht und W. von Borries-Eckendorf der Saaten Union Gruppe.

Nun ist die selbstfahrende Plattform, ausgestattet mit verschiedenen Sensorsystemen, fertiggestellt und hat erfolgreich erste Fahrten im Feld absolviert. Das Besondere: Die Messergebnisse der unterschiedlichen, aber komplementären Sensortypen werden fusioniert und somit gemeinsam zur Vorhersage von Zielmerkmalen genutzt.

Diese Entwicklung stellt das weltweit erste Fahrzeug dieser Art dar. Es wird erwartet, dass die Phänotypisierung von Pflanzen beschleunigt und deutlich verbessert werden kann, was die wissensbasierte Züchtung vieler Kulturarten erleichtern würde. Im PredBreed-Projekt wollen die Forscher die Plattform konkret zur Züchtung von Bioenergie-Triticale einsetzen, einer Kreuzung aus Weizen als weiblichem und Roggen als männlichem Partner.

Das Forschungsprojekt PredBreed wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. gefördert.

In der modernen Pflanzenzüchtung werden die Informationen aus dem Erbgut der Pflanzen und Beobachtungen aus dem Feld miteinander kombiniert und für züchterische Entscheidungen genutzt. Doch während in den vergangenen Jahren die Kenntnis über Informationen aus dem Erbgut große Fortschritte gemacht hat, blieben Innovationen in der Phänotypisierung im Feld weitgehend aus. Eine Feldbeobachtung ist nach wie vor gleichbedeutend mit arbeits- und zeitintensiver und oftmals nicht ausreichend objektiver Handarbeit.

Zudem erfordern komplexe Zuchtziele heute ein genaues Messen vieler zusätzlicher Parameter, die nicht mit hinreichender Präzision erfasst werden können. Um dynamische Prozesse wie die Entwicklung der Ganzpflanzenbiomasse bei Getreide zu erfassen, müssen mit den bisher verfügbaren Methoden die Pflanzen für jeden gewünschten Messzeitpunkt separat angebaut und geerntet werden. Neue, nicht-invasive, präzise Hochdurchsatzverfahren könnten die Phänotypisierung in der Pflanzenzüchtung somit einfacher, schneller, genauer und damit potenziell auch wirtschaftlicher machen.

In PredBreed haben die Wissenschaftler nun eine Präzisionsphänotypisierungsplattform entwickelt, die den Phänotyp verschiedener Zuchtstämme im Feldversuch zerstörungsfrei erfassen kann. Dazu bestückten sie einen eigens dafür konstruierten Multifunktions-Geräteträger mit zahlreichen Sensoren, die sowohl morphologische als auch Daten zu den Inhaltsstoffen der Pflanzen erheben können. So erstellen Lichtgitter eine Art Schattenbild der Parzellen, aus dem sich indirekt die Pflanzenhöhe und -dichte bestimmen lässt. Mit einer Hyperspektralkamera können die Forscher zudem über den Feuchtegehalt der Pflanzen Rückschlüsse auf deren Trockenmassegehalt ziehen.

Weitere verwendete Sensortypen sind unter anderem Laserdistanzsensoren, Time-of-flight-Kameras und Multireflex-Ultraschallsensoren. Das Innovative an der Plattform ist aber vor allem die Fusionierung dieser Sensordaten: Komplementäre Informationen werden gemeinsam zur Vorhersage von Zielmerkmalen genutzt. Die „BreedVision“-Plattform versieht zu diesem Zweck alle Sensordaten mit einem Zeit- und Positionsstempel und legt sie in einer speziellen Datenbank ab.

Die dadurch mögliche räumliche und zeitliche Zuordnung aller Daten auf einzelne Positionen und damit einzelne Pflanzenorgane im Bestand ist derzeit einzigartig in der Feldphänotypisierung. Um die anfallenden sehr großen Datenmengen richtig interpretieren und beispielsweise auch die Zielumwelt und Jahreseffekte berücksichtigen zu können, werden in einem sog. Kalibrationsexperiment Algorithmen zur Merkmalsvorhersage etabliert. Dies erfolgt nicht nur für die Getreideart Triticale, sondern auch für Weizen und Roggen. So kann die Plattform künftig auch in Zuchtprogrammen dieser Getreidearten eingesetzt werden.

Übergeordnetes Ziel von PredBreed ist es, einen Beitrag zur Entwicklung eines Zuchtprogramms für Triticale als Energiepflanze zu leisten. Dazu wird auch das Potential der genomischen Selektion zur Vorhersage der Biomasse erforscht. Das Prinzip stammt aus der Tierzucht, in der eine Zuchtwertschätzung allein anhand der Nachkommen noch langwieriger als bei Pflanzen ist.

Zu diesem Zweck bauen die Forscher in dem bis 2017 laufenden Vorhaben eine Trainings- und eine Validierungspopulation mit über 1.000 Bioenergie-Triticale-Zuchtstämmen auf und genotypisieren diese hochdicht mit genomweiten molekularen Markern. Kombiniert mit den mittels der Phänotypisierungsplattform erhobenen Daten, können dann biometrische Modelle getestet werden, die es erlauben, den Zuchtwert der Zuchtstämme zu schätzen. So können diese zukünftig rein anhand der genotypischen Daten frühzeitig selektiert werden.

Die in PredBreed etablierten Methoden der Präzisionsphänotypisierung und der genomischen Selektion besitzen großes Potential für die zielgerichtete Verbesserung der Biomasseleistung von Energie-Triticale, aber auch darüber hinaus für den breiten Einsatz in der Pflanzenzüchtung.

Informationen zu den einzelnen Teilvorhaben von PredBreed stehen auf www.fnr.de im Menü „Projekte & Förderung“ unter den Förderkennzeichen 22406112, 22406212, 22406312 und 22406412 zur Verfügung.

(Redaktion: Nicole Paul, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.)

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