Phänotypisierung: Pflanzen erkennen, die dem Klimawandel trotzden

00:00:00: Nachhaltig im Verwendung von Ressourcen, sei es die Umweltschonenden durch weniger Dünge oder die

00:00:14: Umweltschonenden durch weniger Wasserverbrauch, da versuchen wir auch daran mitzuwirken.

00:00:19: Herzlich willkommen zu digital nachhaltig, Frauenhofer EES. Mein Name ist Jacke Wagenbrenner und hier

00:00:26: im Podcast spreche ich mit unseren Expert*innen über ihre Forschungsprojekte, die auf eine

00:00:30: nachhaltigere Zukunft arbeiten. Genauer gesagt auf die 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung der

00:00:35: Vereinten Nationen. Das Ziel Nummer zwei lautet "Kein Hunger" und neben Ernährungssicherheit geht es

00:00:41: dabei auch um nachhaltige Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion. Mit diesem Ziel forschen

00:00:47: Joel Klausen und Fabian Keil vom Fraunhofer Entwicklungszentrum Röntgentechnik, kurz EZRT,

00:00:52: mittels Phenotypisierung an verschiedenen Methoden, wie die Ressourcen in der Landwirtschaft

00:00:57: besser genutzt werden können. Joel ist Senior Scientist im Bereich Bioagrar mittels Röntgentechnik.

00:01:02: Momentan bin ich in der Abteilung anwendungsspezifische Methoden und Systeme und kümmere mich da eben

00:01:09: um den Bereich, wie man Röntgentechnik im Bioagrar-Bereich einsetzen kann.

00:01:13: Fabian Keil ist Leiter der Gruppe Optische Typisierung am EZRT. Wir beschäftigen uns auch mit

00:01:19: der Anwendung von optischen Messsystemen und der Sensorik und der Auswertung und das ergänzen

00:01:27: zu den Röntgenmethoden der Nachbarabteilung eben mit optischen Methoden.

00:01:31: Bevor wir über optische Methoden und Röntgensystemen in der Landwirtschaft reden,

00:01:35: schauen wir uns aber erstmal an, warum die Forschung überhaupt so wichtig ist. Mit

00:01:39: dem Klimawandel kommen logischerweise auch einige Herausforderungen auf die Landwirtschaft zu.

00:01:43: Ich denke, die Herausforderungen sind, dass wir zunehmend extremere Wetterbedingungen bekommen,

00:01:49: sodass die Pflanzen stabiler sein müssen gegenüber mehr Wasser oder mehr Wind oder mehr einfach

00:01:56: krasseren Wetterbedingungen. Und das ist natürlich für die Züchtung einer Herausforderung, dass

00:02:04: dann eben die Pflanzen den Landwirten bereitgestellt werden, sag ich mal, die dann eben mit diesen

00:02:09: Wetterbedingungen auch klarkommen. Ich würde vielleicht noch ergänzen, genau diese Wetterbedingungen

00:02:15: sind natürlich auch der Grund, dass zum Beispiel Ressourcen wie Wasser je nach Ort, wo man halt

00:02:21: ist, knapper werden können. Und das ist wichtig ist, dass man die Ressourcen, die man zur Verfügung

00:02:26: hat, wirklich da einsetzt, wo sie gebraucht werden. Und das denke ich ist auch eine weitere große

00:02:34: Herausforderung. Okay, Pflanzen müssen in Zukunft also resistenter gegenüber kritischen Umweltbedingungen

00:02:40: werden. In der Initiative Biogene Wertschöpfung und Smart Farming kommen Expert*innen aus verschiedenen

00:02:46: Fraunhofer-Instituten zusammen, um diese und noch viele andere Herausforderungen in der Landwirtschaft

00:02:51: anwendungsorientiert zu unterstützen. Joelts und Fabians Forschungsgruppen setzen da erst mal

00:02:57: ganz grundlegend mit der optischen Bestimmung von Pflanzen an, damit die Pflanzen für die Forschung

00:03:01: möglichst genau analysiert werden können. Da kommt auch der Begriff Phenotypisierung ins Spiel.

00:03:06: Und das kann Fabian am besten erklären. Wenn man jetzt mal nochmal den Begriff Phenotypisierung

00:03:11: sich anschaut, dann geht es ja darum, die Gestalt einer Pflanze zu erfassen, die sie ausbildet,

00:03:19: unter zum einen erstmal den genetischen Background, den sie mitbringt. Und wenn jetzt die Pflanze dann

00:03:24: in gewissen Umgebungen wächst, also in einem Boden, der eine bestimmte Zusammensetzung hat oder die

00:03:31: Temperatur, Licht, alles was dazu verfügeln steht, bildet sie einen bestimmten Phenotyp aus und das

00:03:37: heißt erstmal nichts anderes als eine bestimmte Erscheinung, die wir mit den Augen auch sehen

00:03:43: können und angucken können und vielleicht auch bewerten können. Und in meiner Gruppe geht es jetzt

00:03:49: eigentlich darum, dass wir diese Erscheinung mithilfe von Sensorik, die halt im optischen Bereich,

00:03:56: also im sichtbaren Bereich des Lichts, liegt erstmal aufnehmen und diese Daten dann verarbeiten.

00:04:04: Also man könnte es so zusammenfassen, dass es darum geht, die Form und die Farbe abzubilden und

00:04:10: zur Verfügung zu stellen für weitere Datenverarbeitungsschritte und dann eben Informationen,

00:04:16: relevante Informationen daraus zu ziehen. Also wenn man sich sozusagen vorstellt, das sichtbare Licht

00:04:21: fängt irgendwo bei blau an und dann geht es weiter über grün, gelb und rot. Das sind der verschiedene

00:04:26: Wellenlängen. Dann kommt nach dem Rot das Infrarote und das ist ein relativ relevanter Bereich, um

00:04:35: Pflanzen auch zu charakterisieren, auch wenn man es im Auge nicht sieht, weil man dort sehen kann,

00:04:40: wie der allgemeine Zustand der Blätter zum Beispiel ist oder auch ob die Pflanze unter

00:04:46: Trockenstress leidet. Also das sieht man in dem Bereich besser und früher als im optischen,

00:04:52: also im sichtbaren Licht und deswegen ist es so interessant, sich diesen Bereich auch anzugucken

00:04:57: und da wollen wir auch uns verstärkt darauf fokussieren in der nächsten Zeit. Bei Fabian geht es im

00:05:02: ersten Schritt also um alles, was man mit dem bloßen Auge erkennen kann und noch ein bisschen

00:05:07: darüber hinaus ins Infrarotespektrum. In Jewels Arbeitsbereich geht es vor allem darum,

00:05:11: was sich unter der Erde abspielt. Wir haben mehrere Teile, sage ich mal. Einmal ist in Fokus auf

00:05:18: Wurzelarchitektur. Das ist dann das, was wir indoor machen in Gewächshäusern, weil die auch in

00:05:26: Töpfen dann wachsen müssen, die Pflanzen dafür. Ein zweiter Teil ist, dass wir Qualität von Saatgut

00:05:32: betrachten und ein dritter Teil ist, dass wir versuchen auf dem Feld auch Anwendungen zu finden,

00:05:38: die dann, wo wir Merkmale bestimmen können mit Röntgentechnik, wo man die optisch nicht

00:05:45: zugänglich sind. Also das dann dieses ergänzende zwischen Fabians Gruppe und unsere Arbeit, dass

00:05:50: wir sagen, dort wo wir versuchen viel mit optischen Sachen zu erfassen. Aber es gibt dann einfach

00:06:00: Merkmale, die optisch nicht zugänglich sind und das ist dann der Teil, wo die Röntgentechnik

00:06:03: eingesetzt werden kann. Vorher macht es eigentlich keinen Sinn. Also wenn ich es optisch erfassen

00:06:07: kann, dann macht es eher Sinn, das optisch zu machen, weil das einfacher vom Handling ist und

00:06:13: nicht vom Handling, der ist sensorik, aber von der Sicherheitstechnik an sich ist es einfacher

00:06:19: als ein Röntgensystem. Und genau diese Vereinigung der Methoden, von denen Joel da spricht, ist der

00:06:25: Beitrag des EZRT zur Fraunhofer-Initiative Biogene Wertschöpfung und Smart Farming, die ich am

00:06:30: Anfang erwähnt habe. Da werden verschiedenste Projekte in diesem Bereich gemacht und eines dieser

00:06:37: Projekte, was wir jetzt schon bearbeiten, ist eben die gemeinschaftliche Arbeit unserer Abteilung,

00:06:43: eben diese Methodik, Optik und Röntgen zu kombinieren, um aus beiden

00:06:51: Welten sage ich jetzt mal das Beste mitzunehmen. Ich meine die Optik, wie von

00:06:56: Joels schon angesprochen, die kann eben nicht hinein gucken und auch nicht die

00:07:00: Wurzeln beurteilen, zumindest so lange sie in der Erde sind. Dafür können wir

00:07:05: halt mit den optischen Methoden Form und Farbe sehen und wenn man das

00:07:08: kombiniert, kann man sich schon vorstellen, dass da einfach einen Mehrwert

00:07:12: generiert werden kann und das wollen wir in diesem Projekt demonstrieren.

00:07:17: Unsere ganzen Methoden, so viel Nutipisierung, ob jetzt optisch oder

00:07:23: Röntgen oder auch kombiniert, ziehen ja darauf ab, dass wir letztendlich erst mal

00:07:28: Informationen über Pflanzen gewinnen, möglichst objektiv.

00:07:34: Diese Arbeit eines Züchters wird ja auch ohne Sensorik schon lange Zeit gemacht

00:07:39: und da wird es halt durch manuelle oder visuelle Begutachtung besser gesagt

00:07:44: gemacht. Das heißt, es guckt sich ein Mensch die Pflanze an und bewertet die

00:07:47: irgendwie und natürlich ist das eine ziemlich aufwendige Arbeit und es ist

00:07:52: auch eine Arbeit, die nicht unbedingt so reproduzierbar ist oder so gleichmäßig

00:07:56: und die Idee ist natürlich über Sensorik grundsätzlich erst mal die

00:08:02: Möglichkeit zu bieten, diese Beurteilung der Pflanzen objektiver und auch mit

00:08:10: weniger Aufwand zu machen. Damit alles möglichst objektiv beurteilt werden

00:08:15: kann, muss die Umgebung natürlich gut kontrolliert sein. Wenn man an

00:08:18: Organismen wie Pflanzen forscht, ist das besonders relevant.

00:08:22: Wir haben kontrollierte Klimabedingungen, also wir haben eine Klimakammer, wo die

00:08:27: Pflanzen unter Klimabedingungen wachsen, die wir bestimmen können und

00:08:31: fast exakt einstellen können und das hilft uns natürlich, dass wir auch

00:08:39: extrem Bedingungen, also Hitze-Stress oder Trocken-Stress oder zu wenig Dünger oder

00:08:43: zu viel Dünger nachstellen können und dann können beobachten, wie die

00:08:49: Pflanzen darauf reagieren, also fenotypisieren die Pflanzen. In dem

00:08:53: Projekt wollen wir jetzt genau das tun, dass wir eben nicht nur oberirdisch das

00:08:59: ganze betrachten oder nur unterirdisch das ganze betrachten, sondern wir bringen

00:09:03: die beiden Sensorwelten zusammen und in der, in unserem Röntgen-Klimabedingungs-

00:09:11: umgebung setzen wir alle Sensoren gleichzeitig ein, um ein möglichst

00:09:16: umfassendes Bild von der Pflanze zu bekommen und die Messungen werden auch

00:09:20: gleichzeitig stattfinden, das heißt auch, dass zu dem gleichen Zeitpunkt alle

00:09:25: sensorig erfasst wurde, weil Pflanzen verändern sich ja, das ist auch eine

00:09:29: Herausforderung in unserer Forschung immer wieder, dass die Pflanzen ja, ob ich es

00:09:33: heute messen oder morgen messen, macht einen Unterschied, das heißt da sind wir

00:09:37: sehr, sehr krass an Zeiträume gebunden und unser Ziel ist, dass wir damit gerade

00:09:43: in diesen Klimabedingungen, wo man ja ganzjährig Pflanzen anbauen kann, wo man

00:09:48: nicht an die Jahreszeiten gebunden ist, das Ganze ein bisschen zu beschleunigen,

00:09:52: weil dann kann man zwei, drei, vier Tests in einem Jahr machen, ohne dass man jetzt

00:09:57: sagt, man muss vier Jahre warten, um den gleichen Test nochmal zu machen und man

00:10:03: hat den Vorteil, dass man die Klimabedingungen bestimmen kann und

00:10:08: sie nicht so kommen, wie sie kommen, das heißt für gerade frühe Zuchtversuche

00:10:13: kann man das sehr gut als Tool einsetzen, man muss aber auch wissen,

00:10:16: alles was indoor und in Töpfen passiert, ist schon auch nochmal anders als dann auf

00:10:21: dem Feld am Ende. In der Klimakammer kommen also die beiden Forschungsbereiche zum

00:10:25: ersten Mal zusammen, um die Pflanzen in einer möglichst kontrollierten Umgebung

00:10:28: zu phenotypisieren. Aber visuell schon sagt, die Klimakammer ist gut zur

00:10:32: objektiven Beobachtung einzelner Pflanzen, aber eben nicht immer vergleichbar

00:10:36: mit realen Bedingungen auf dem Feld. Doch auch dafür gibt es eine Lösung.

00:10:40: Genau, wir machen mit einem der Feldremporter, die wir haben, oberirdische

00:10:49: Biomassebestimmung und versuchen gerade dabei herauszufinden, ob wir auch Erntezeitpunktbestimmung

00:10:57: machen können, dass wir also Züchter haben ganz, haben hunderte verschiedene

00:11:04: Sorten auf ihren Feldern stehen in sehr kleinen Abschnitten und um das zu

00:11:09: ernten und den Ertrag herauszufinden, müssen sie jedes einzelne Feldstück

00:11:14: extra ernten und wiegen und das ist ein enormer Aufwand und was wir versuchen ist

00:11:19: da eben autonom das zu bestimmen, den Ertrag, dass am Ende nur noch die Teile

00:11:26: separat geerntet werden müssen, die tatsächlich zu weiteren Zucht verwendet

00:11:30: werden und die Teile, die nicht so gut performt haben, die kann man dann einfach

00:11:34: als gesamtes Mähdreschen und damit abernten muss es nicht separat herausfinden.

00:11:42: Und der andere Roboter, der ist dann mehr optisch, wird er verwendet.

00:11:47: Da wird mit optischen Systemen Beikräuter, also umgangssprachlichen Unkräuter

00:11:55: detektiert, die dann rausgehackt werden auf dem Feld, das heißt da ist dann das ist

00:12:00: dann der zweite oder der andere, der optisch optische Systeme drauf hat.

00:12:05: Ein autonomer, intelligenter Roboter, der mit den Technologien der EZRT-Forschungsbereiche

00:12:10: ausgestattet ist, kann Landwirt*innen und Züchter*innen also enorm viel Arbeit abnehmen.

00:12:15: In Verbindung mit der Forschung aus der Klimakammer kann da ein echter

00:12:18: Mehrwert für nachhaltige Landwirtschaft in der Zukunft geschaffen werden.

00:12:21: Deswegen hatte ich eingangs auch gesagt, dieses Thema Ressourcen ersparen es, weil wenn ich

00:12:27: genau Informationen über die einzelnen Pflanzen habe und weiß, wie sie jetzt im

00:12:31: Gegensatz vielleicht zum Rest gerade der Zustand ist, dann kann ich gezielt eingreifen

00:12:38: und meine Dlinge gezielt bewässern oder gezielter düngen oder auch gezielter

00:12:42: Schädlingsbekämpfung durchführen, die nun manchmal durchgeführt werden muss, um die

00:12:48: Krankheiten und den und den Verteilung da einzudämmen.

00:12:52: Wo dann der Aspekt Nachhaltigkeit halt auch zum Tragen kommt, also wo wir sagen

00:12:55: nachhaltig im Verwendung von Ressourcen, sei es die Umweltschonenden durch weniger

00:13:03: Dünger oder die Umweltschonenden durch weniger Wasserverbrauch und das ist da

00:13:08: versuchen wir auch eben daran teilzuhaben oder daran mitzuwirken.

00:13:14: Mehr Informationen zum Thema Phenotopisierung und vielen weiteren Forschungsprojekten,

00:13:18: die zu einer nachhaltigen Entwicklung beitragen, findet ihr unter

00:13:22: www.ies.frauenhofer.de/sustainablegoals.

00:13:26: Wir freuen uns über Feedback zum Podcast per Mail an magazine@ies.frauenhofer.de.

00:13:32: Der Podcast Digital Nachhaltig Frauenhofer IES ist eine Produktion des

00:13:36: Frauenhofer Instituts für integrierte Schaltungen.