Den Wurzeln auf die Finger geschaut

Automatisierte Merkmalserfassung in Gatersleben

Alle sprechen von der Erfassung des Genoms. Die komplexe Abfolge der vier Nukleotide in der Desoxyribonucleinsäure (DNS) ist nicht nur der Grundbaustein in allen Zellen von Pflanzen und Tieren, sondern gilt als Rezept für das individuelle Leben. Egal ob Bakterium oder Mensch.

Im Pflanzenbau kann das gesamte Genom einen Hinweis geben, in welche Richtung beispielsweise der Weizen weiter gezüchtet werden kann. Doch nicht nur die DNS ist ein Schlüssel für die Leistungsfähigkeit einer Pflanze, sondern auch der Phänotyp. Damit ist die äußerliche Gestalt von der Wurzel bis zur Ähre beschrieben. Blattgröße und Wurzelverzweigung  sind genetisch vorbelegt und werden von der Umwelt beeinflusst. Die Phänotypisierung als „In Augenscheinnahme“ sagt ebenfalls viel über den Zustand der Pflanze aus. Und gibt in der Zucht einen entscheidenden Hinweis über eine mögliche Weiterverwendung.

Was früher Landwirte in der Tat mit sehendem Auge für eine Selektion nutzten, verläuft heute „automatisch“. Das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben hat bei der moderne Pflanzenphänotypisierung weltweit eine führende Rolle eingenommen. Das IPK speichert die gewonnenen Daten und wertet sie in Verbindung mit dem Genom aus.

Makrobiologin Dr. Astrid Junker zeigt auf den DLG-Feldtagen wie das automatisierte Erfassung von Pflanzenmerkmalen im Hochdurchsatz funktioniert. Tausende von Pflanzen werden in einem Gewächshaus in einem standardisierten Klima kultiviert und mit kleinen Wägelchen täglich in verschiedene Aufnahmekammern geschoben. In der ersten Kammer wird die Pflanze mit sichtbarem Licht aufgenommen. Damit werden wachstumsbezogene und architektonische Parameter wie Höhe, Blattfläche und Farbgebung ermittelt. In der zweiten Kammer ermittelt eine Nah-Infrarotkamera den Wassergehalt und blaues Licht in der dritten Kammer erlaubt Rückschlüsse auf die Vitalität.Täglich werden auf diese Weise bis zu 200 Pflanzenmerkmale erfasst und fließen in die Züchtung ein.

Der nächste Clou ist in Bau. Das Gewächshaus ist von außen fertig, die Standards werden gerade getestet. Laborergebnisse haben generell den Nachteil, dass sie keine Feldbedingungen simulieren. Die Sonne verschwindet im Tagesverlauf hinter Wolken, die Temperaturen steigen und fallen in kurzen Intervallen. Das neue Gewächshaus kann diese Bedingungen im Verlauf eines Tages alle nachbilden und damit dem Freiland so nahe wie möglich kommen.  Weltweit ist das Erste mit der Simulation von praktischen Bedingungen für die Phänotypisierung. Dazu stehen dann vier 120 Quadratmeter große Kompartimente zur Verfügung, die zeitgleich vier verschiedene Umweltbedingungen simulieren können.

Dr. Junker schaut den Pflanzen demnächst besonders auf die Wurzel. Das Wurzelwachstum ist ebenfalls nicht nur genetisch bedingt und Umwelteinflüssen wie dem Boden ausgesetzt, es reagiert auch auf die Nährstoffgabe durch die Landwirte. Vor dem Hintergrund der neuen Düngeverordnung äußerst interessant. Die Pflanzenwurzeln wachsen in transparenten und schräg gestellten Behältern. Dadurch wachsen sie wie gewohnt nach unten, aber an der Behälteroberfläche entlang. Kameras können auf diese Weise die Wurzeln in ihrem Wachstumsprozess beobachten. Dr. Junker steht auf dem Bild vor der Simulation, wie der Kameracontainer die Wurzelkästen abfährt und sich täglich eins nach dem anderen herausnimmt und fotografiert. Das Gewächshaus kann die Temperaturunterschiede zwischen Atmosphäre und Boden, die oft bei mehr als zehn Grad liegen, herstellen. So wird demnächst auch die „Wurzelsystemarchitektur“ bonitiert.

Vieles ist Grundlagenforschung, gewinnt bei Klimaveränderungen an Bedeutung für die Praxis. Neue Sorten, die trockentoleranter oder krankheitsresistent sind, werden auf diesem Weg schneller bonitiert und kommen eher auf den Markt.

Lesestoff:

http://www.ipk-gatersleben.de/

Roland Krieg; Foto: roRo