Berührungslos erfassen

Digitale Pflanzenphänotypisierung

Mit digitaler Phänotypisierungstechnologie können Erscheinungsbild und physiologische Parameter von Pflanzen berührungslos erfasst werden. Sie ist daher interessant für die Wissenschaft, die Bioökonomie sowie für die Entwicklung und Qualitätskontrolle von Agrarprodukten.

Hochdurchsatz-Phänotypisierungs-Anlage mit automatisierter Zuführung der Pflanzen. © Lemnatec

Klimafluktuationen, Wasserknappheit und Extremwetter – die Herausforderungen an die Landwirtschaft und an Agrarprodukte werden immer komplexer. Um Pflanzen an diese neuen Gegebenheiten anzupassen, werden neue innovative Sorten entwickelt und gezüchtet. Die Wachstums- und Qualitätseigenschaften einer Pflanze hinsichtlich ihrer Struktur, Funktion, Leistungsfähigkeit, Ressourcenverbrauch und Widerstandskraft (kurz Phänotyp) sind fundamentale Indikatoren für die Züchtung und Optimierung eines zukunftsfähigen Saat- und Ernteguts und daher von entscheidender Bedeutung für die Nahrungsmittelproduktion sowie die Ausgestaltung einer profitablen und zugleich nachhaltigen klimaadaptierten Landwirtschaft.

Die digitale Phänotypisierung vermisst das äußere Erscheinungsbild von Pflanzen hinsichtlich Größe, Form und Farbe als Merkmale für Spross- und Wurzel-Wachstum, Produktivität und Qualität. Erfasst werden auch physiologische Parameter wie z. B. der Wasser- und Nährstoffgehalt der Blätter oder die Photosynthese. Durch die Anwendung der hochkomplexen berührungsfreien Sensorik und Automatisierungstechnik der Lemnatec werden die Pflanzen kontaktlos analysiert, so dass die einzelnen Pflanzen immer wieder untersucht und kontinuierliche Informationen über den Entwicklungs- und Gesundheitszustand der Pflanzen gewonnen werden können. Die Anwendungsbereiche solch einer Pflanzenphänotypisierung liegen vor allem in der Agrochemie, der Agrar- und Pflanzenforschung sowie der Pflanzenzüchtung und reichen von Kleinanwendungen im Labor bis zu Großinstallationen für Gewächshäuser und Freifeldanlagen.

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Laborsystem PhenoAIxpert Pro zur phänotypischen Vermessung von Einzelpflanzen im Labor, ausgestattet mit Aufnahmemöglichkeiten sowohl von der Seite als auch von oben, und optional mit Aufnahmemöglichkeit des Wurzelsystems. © Lemnatec

Pflanzen stellen als Messobjekte aufgrund der großen Variabilität besondere Anforderungen an robuste Analyse-Verfahren. Insbesondere vor diesem Hintergrund gewinnen Verfahren der künstlichen Intelligenz, hier insbesondere Ansätze des maschinellen Lernens, bei der Auswertung der Sensordaten zunehmend an Bedeutung. Auch die Bandbreite der verwendeten Sensoren nimmt stetig zu. Als klassische „Arbeitspferde“ bei der digitalen Phänotypisierung kommen bildgebende Sensoren, hier insbesondere hochauflösende Industriekameras, wie man sie aus anderen Bereichen der Bildverarbeitung kennt, zum Einsatz. Um besondere Eigenschaften zu bestimmen, gewinnen auch komplexere Sensorsysteme an Bedeutung, wie z. B. Fluoreszenz-Kameras, die im Zusammenspiel mit speziellen Beleuchtungssystemen die Leistungsfähigkeit des Photosynthese-Systems der jeweiligen Pflanzen quantitativ bewerten. Eine weitere wichtige Sensorklasse stellen sogenannte Hyperspektralkameras dar, die anstelle eines 3-Farben (RGB)-Bildes wellenlängenspezifische Bilder aufnehmen und somit im Ergebnis anstelle eines RGB-Bildes einen sogenannten hyperspektralen Datenwürfel liefern. Damit erbringt ein entsprechend ausgestattetes System flächige Informationen über die spektrale Charakteristik des vermessenen Objekts.

Anwendungsbeispiel: Untersuchung von Mutationen auf Wachstumseffekte

Multi-Sensor-Laborplattform HyperAIxpert zur automatisierten Vermessung der Proben (Pflanzen, Saatgut, pflanzliches Material etc.) mit mehreren Sensoren (z. B. Kameras oder Laserscanner) und automatisierter Probenzuführung. © Lemnatec

Eine gängige Praxis bei Labortests, z. B. bei der Untersuchung der Funktionen von Mutationen, ist das Züchten von Sämlingen auf festen Medien in Petrischalen. Solche Wachstumstests dienen dazu, die phänotypischen Eigenschaften von Mutanten und Wildtypen auf einfache und schnelle Weise zu vergleichen. Die phänotypischen Unterschiede zwischen Mutanten und Wildtypen sind wesentliche Faktoren bei der Beschreibung der Genfunktionen, die den jeweiligen Mutationen zugrunde liegen. Daher ist es wichtig, die Phänotypen richtig zu dokumentieren und die auftretenden Unterschiede auf numerische Weise zu messen. In den meisten Fällen erfasst eine einfache Beschreibung in Worten die Entität des Phänotyps nicht vollständig, und beschreibende Vergleiche können durch persönliche Eindrücke des Experimentators beeinflusst werden. Mit der bildbasierten Phänotypisierung erhält man sowohl eine nachvollziehbare Dokumentation als auch eine numerische Quantifizierung der wesentlichen Merkmale.

Im aktuellen Beispiel wurde eine Mutante auf Wachstumseffekte getestet. Nach der Kultivierung der Keimlinge von Mutante und Wildtyp auf Agarmedien in Petrischalen wurde das Wachstum von Spross und Wurzel verglichen. Durch die Aufnahme der Petrischalen am Ende der Wachstumsphase wurde dokumentiert, dass es offensichtliche Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutanten gab – es war deutlich zu erkennen, dass Mutanten kleiner waren und sich in ihrem Wachstumshabitus im Vergleich zum Wildtyp unterschieden.

Laborphänotypisierungssystem „PhenoAIxpert ES“ mit hochempfindlichen Bildsensoren zur Vermessung von Pflanzen mit Biolumineszenz-Verhalten, einsetzbar z. B. im Bereich der Genforschung. © Lemnatec

Mit den dokumentarischen Bildern ist ein Vergleich mit früheren oder späteren Tests, mit anderem Pflanzenmaterial oder mit Studien von Kollegen möglich, und spätere Neubewertungen können durchgeführt werden. Daher ist die bildbasierte Dokumentation der erste wichtige Schritt bei der digitalen Phänotypisierung. Hierbei ist es wichtig, eine angemessene Bildqualität sicherzustellen – je besser beleuchtet und unverzerrt die Bilder sind, desto einfacher können Informationen abgeleitet werden.

Der Kern der Phänotypisierung besteht in der Analyse der Bilder mit Bildverarbeitungswerkzeugen, die phänotypbezogene Informationen aus den Pixeldaten der Bilder ableiten. Bei einer Spross- und Wurzelbewertung wurden die Wildtyp- und Mutantenpflanzen auf Abmessungen und Morphologie gemessen.

Aufnahme von Pflanzenproben. © Lemnatec

Numerische Ergebnisse der phänotypischen Bewertung zeigten Spross- und Wurzelwachstumsdepressionen in der Mutante. Die Sprossfläche der mutierten Pflanzen war viel kleiner als die der Wildtyp-Pflanzen, sie hatten nur 55 % der Größe, ebenso war die Fläche der Sekundärwurzeln auf 57 % der Wildtyp-Größe reduziert. Die Größe der Primärwurzeln unterschied sich wiederum nicht, die Mutante hatte eine Primärwurzelgröße von 105 % im Vergleich zur Größe des Wildtyps. Zusammen mit der verringerten Sprossgröße wuchsen mutierte Pflanzen im Vergleich zu den Wildtypen kompakter.

Bild der Pflanzenproben nach Verarbeitung zur ­Analyse. © Lemnatec

Die entsprechenden Diagramme mit den numerischen Daten zeigten, dass es Variationen zwischen 14 Wildtyp- und 14 Mutanten-Pflanzen gab, was bedeutet, dass es innerhalb beider Gruppen biologische Variabilität gab. Dabei fallen Extremfälle – große mutierte Individuen und kleine Wildtyp-Individuen – in ähnliche Größenbereiche. Dies ist ein typisches Beispiel für quantitative Merkmale, die von der Genetik und dem Wachstumsumfeld beeinflusst werden. Der Einfluss der Mutation auf das Pflanzenwachstum äußert sich in einer Abnahme der Organgröße bei Trieben und Sekundärwurzeln. Die verringerten Mittelwerte von Spross und Sekundärwurzelfläche sind Indikatoren dafür. Da jede Gruppe aus 14 Individuen bestand und Individuen Variationen aufwiesen, konnte auch die Umgebung – hier die Position auf den Platten – einen Einfluss haben.

Das Beispiel zeigt, wie dokumentarische Bilder und gezielte Bildverarbeitung die Bewertung des Phänotyps in Genfunktionsstudien unterstützen. Lemnatec bietet geeignete Bildgebungssysteme für eine breite Palette von Anwendungen sowie moderne Bildverarbeitungssoftware zur Merkmalsextraktion. Zum Unternehmen: Lemnatec ist Spezialist für Hardware- und Softwaresysteme im Bereich der digitalen Pflanzenphänotypisierung und des Hochdurchsatz-Screenings. Die Bandbreite der von Lemnatec entwickelten und vertriebenen Lösungen umfasst anwendungsspezifische Standard-Produkte wie auch kundenspezifisch entwickelte Großanlagen, bei denen das Zusammenspiel von Messobjekten (i.  Allg. Pflanzen), Sensorik und Zuführung kundenspezifisch entwickelt und in vorhandene Infrastruktur eingepasst wird. Neben der Pflanzenanalyse liefert Lemnatec auch Analysemethoden für Pflanzenkrankheiten sowie Insekten und andere Tiere, die oft als Schaderreger von Pflanzen auftreten. Darüberhinaus hat Lemnatec digitale Saatguttests entwickelt. Dabei handelt es sich um einen aus der Phänotypisierung abgeleiteten Anwendungsfall, der in Saatgutindustrie und Genbanken bei der Bestimmung von Keimfähigkeit, Keimqualität und Saatgutqualität zum Einsatz kommt.

AUTOR

Dr. Marcus Jansen, Chief Scientist, LemnaTec GmbH, Aachen

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