Agrarwissenschaft

Mit 3 D-Scannern und Phänotypisierung gegen den Welthunger

In unserer Welt werden die Nahrungsmittel knapp und die Tendenz ist beunruhigend: Die Weltbevölkerung steigt weiter an und wird bis zum Jahr 2050 voraussichtlich die Marke von 9,7 Milliarden Menschen überschritten haben. Zahlreiche Experten gehen davon aus, dass die Nahrungsmittelproduktion bis dahin um mindestens die Hälfte, wenn nicht sogar den doppelten Umfang, gesteigert werden muss, um auch nur ein stabiles Maß an Ernährungssicherheit zu gewährleisten. Dabei sind die bislang unvorhersehbaren Auswirkungen des Klimawandels noch gar nicht einkalkuliert, der sich bis zur Jahrhundertmitte hin noch weiter beschleunigen kann.

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Landwirte auf der ganzen Welt stehen vor der gewaltigen Herausforderung, mehr Nutzpflanzen als je zuvor auf immer kleiner werdenden Flächen anzubauen. Trotz anhaltender Dürren, Überschwemmungen, Schädlingsbefall und Pflanzenkrankheiten müssen nachhaltige Ernteerfolge generiert werden. Hunderte von Millionen Menschen weltweit leiden Hunger, während die globale Gesellschaft noch weit davon entfernt ist, aktuelle Anforderungen an die Ernährungssicherheit zu erfüllen. In einem Punkt sind sich aber alle Experten einig: Wenn dieser gordische Knoten jemals entwirrt werden soll, sind beispiellose Innovationen in der Landwirtschaft nötig.

Neueste Technik mit alten Wurzeln
Eine bahnbrechende Innovation zur Steigerung der Ernteerträge unter schwierigen Bedingungen ist das Verfahren der Hochdurchsatz-Phänotypisierung (HTP). Phänotypisierung ist die Beobachtung und Analyse bestimmter Pflanzen, um basierend auf dieser Grundlage Feststellungen und Vorhersagen zu treffen – im Grunde eine Methode, die Landwirte schon seit über 10.000 Jahren anwenden. Während sie ihre Felder begutachteten, wählten die Bauern sorgfältig die Pflanzen mit den wünschenswertesten Merkmalen aus, von denen sie anschließend Samen für die zukünftige Aussaat sammelten. Die Keime wurden von den Pflanzen abgestreift, während diejenigen mit Insektenschäden und anderen Anzeichen von Schwäche aussortiert wurden.Die manuelle Methode der Vermessung gehört zum Standard in dieser Branche – und das schon seit Jahrzehnten. Um weniger anfällige Pflanzen herauszufiltern, müssen hunderte Ähren in Höhe und Länge analysiert werden. Durch die herkömmliche Methode der manuellen Messung werden viele tote Pflanzen in Kauf genommen. Außerdem genügt das kurze Zeitfenster nicht, um während jeder Wachstumsperiode genügend Ähren genau zu vermessen.

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Präzise Hochdurchsatz-Phänotypisierung durch 3D-Scantechnologie
 Der 3D-Scanspezialist Artec 3D bietet handgeführte 3D-Scanner, die bereits seit vielen Jahren von Forschern verwendet werden und nun bei detailgetreuen Vermessungen von Weidelgraspflanzen innerhalb eines begrenzten Zeitfensters geholfen haben. Dabei wird die Spitze der zu scannenden Pflanze vorsichtig auf den Boden gebogen und vor einem geeigneten Hintergrund zum Liegen gebracht, um später eine einfachere Scanverarbeitung in der zugehörigen Software Artec Studio zu gewährleisten. Das alles dauert jeweils weniger als eine Minute.
Mithilfe der Scans konnte man jede einzelne Ähre auf weniger als einen Millimeter genau vermessen und detaillierte Daten über unregelmäßige Oberflächen und Geometrien gewinnen. Dazu gehören vollständige topografische Merkmale der Samenbündel auf jeder Ähre, ihre zahlreichen Merkmale sowie die Abszissionszone (der Punkt, an dem der Samen von der Pflanze abbricht). All diese Aspekte sind wichtig, um den einzigartigen Phänotyp jeder Pflanze zu bestimmen.

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Außergewöhnlich insektenresistentes, trockenheitstolerantes Getreide, Obst und Gemüse
Sobald die Pflanzen mit den wünschenswertesten Eigenschaften und Ergebnissen auf dem Feld identifiziert sind, können die ausgewählten Exemplare auf genetischer Ebene untersucht und für die Vermehrung und Züchtung mit anderen Pflanzen verwendet werden. Auf diese Weise können Forscher innerhalb weniger Generationen nicht nur besseres Weidelgras, sondern auch viele andere Pflanzen hervorbringen – von Reis, Gerste und Weizen bis hin zu einem ganzen Spektrum an Obst und Gemüse. Die Rede ist hier von Pflanzen, die hochgradig insektenresistent und trockenheitstolerant sind und wenig bis gar keine Pestizide benötigen.
Die Suche nach modernen Tools wird dabei immer umfangreicher. „In der Landwirtschaft werden heute riesige Summen für die Forschung ausgegeben, um effektive Lösungen für die Hochdurchsatz-Phänotypisierung zu finden“, so U.S. Space Force Major Travis Tubbs, der sich der Forschung und Optimierung des Weidelgrases an der Oregon State University verschrieben hat. „Weltweit versuchen Forscher herauszufinden, wie man dies für jede einzelne Kulturpflanze erreichen kann. Dabei steht außer Frage, dass die Hochdurchsatz-Phänotypisierung durch 3D-Scantechnologie die Landwirtschaft zukunftsfähig machen wird. Sie ermöglicht es Pflanzenzüchtern und Landwirten, ihre Saaten mit den wünschenswertesten Eigenschaften so effizient zu selektieren, dass auf unmittelbare und zukünftige Anforderungen reagiert werden kann. Sei es eine Resistenz gegen die neueste Krankheit zur Reproduktion einer Pflanze, die am besten mit der sich verändernden Umwelt wächst. Je schneller wir Entscheidungen bezüglich einer Auswahl treffen, umso besser sind wir für zukünftige Herausforderungen gewappnet.“

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