Die Maschine misst, der Mensch denkt

Die Pflanzenzüchtung sucht ständig nach besseren, kräftigeren, widerstandsfähigeren Pflanzen – und den Genen, die dafür verantwortlich sind. Inzwischen erfassen Maschinen oft präziser als Menschen die phänotypischen Veränderungen.

Die Apparatur in dem Labor an der Universität Ghent in Belgien sieht aus wie ein kleines, träges Petrischalen-Karussell. Zehn runde Plastikschalen mit kleinen Arabidopsis-Keimlingen sind ringförmig auf einer Trägerplattform angeordnet. Alle sechs Minuten bewegt sich die Plattform und bringt damit eine andere Petrischale in die Analyseposition. LED-Lampen leuchten, Kameras klicken, dann dreht das Karussell sich weiter.

19 Tage lang wurde so jede Stunde ein Foto von einer der Petrischalen gemacht, dabei entstanden insgesamt 4.560 Bilder auf denen man fast wie in einem Film verfolgen kann, wie sich die Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen entwickeln. Einige Pflanzen mussten auf versalzenem Nährboden leben, andere gegen osmotischen oder oxidativen Stress ankämpfen. Am Ende der Wachstumsperiode waren die Rosetten all dieser gestressten Pflanzen etwa gleich groß. Doch im Zeitraffer der Bilder wurde deutlich, dass sie ihr Wachstum zu unterschiedlichen Zeitpunkten verlangsamt hatten.

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Vollautomatische Analysesysteme sind im Kommen

Solche zeitaufgelösten Bildanalysen helfen Forschern dabei, zu verstehen, wie Pflanzen ihr Wachstum regulieren und welche Gene in dem hochkomplexen Vorgang mitmischen. Vollautomatische Systeme zur Phänotypisierung werden dabei immer wichtiger.

Auch im Forschungszentrum Jülich (FZJ) werden Pflanzen immer öfter nicht von Menschen, sondern von Maschinen vermessen. Neben vollautomatisierten Klimakammern gibt es auch zahlreiche Roboter für Freilandversuche. „Wir haben fliegende Octocopter, Zeppeline oder Drohnen, die entweder von Hand gesteuert werden können oder selbstständig mit Hilfe von GPS ihre Runde über die Felder drehen“, erklärt Professor Dr. Ulrich Schurr, Leiter des pflanzenwissenschaftlichen Instituts am FZJ und Koordinator des deutschen Phänotypisierungs-Netzwerks DPPN.

Autonome Systeme können Züchter nicht ersetzen, denn Züchtung ist Kunst

Analysiert werden kann nahezu alles, was der Fragestellung dient. Neben Aussehen und Größe auch solche Parameter, die das menschliche Auge gar nicht wahrnehmen kann. Dazu gehören zum Beispiel die Chlorophyll-Fluoreszenz, die eine Aussage über die photosynthetische Aktivität der Pflanze macht, oder Pigmentveränderungen, die auf Krankheiten schließen lassen.

Maschinen erlauben außerdem eine bessere Quantifizierung der Daten. Ein Roboter misst ganz genau, wie viele Prozent einer Pflanze von einer Krankheit befallen sind – der Mensch ist da naturgemäß subjektiver und tagesformabhängiger. „Trotzdem werden automatische Systeme die Züchter nicht ersetzen können, denn Züchtung ist eine Kunst“, meint Schurr. Besonders in der Integration von Daten, im Kombinieren und Schlüsse ziehen habe der Mensch die Nase ganz weit vorn.

Mit Hilfe von amiRNAs können Genfunktionen erkannt werden

Das zeigt sich auch in der Arbeit einer spanischen Forschergruppe, die eine neue Methode entwickelt hat, um den Einfluss von redundanten Genen auf die Entwicklung von Pflanzen zu untersuchen. Da in Pflanzen besonders häufig solche redundanten Gene vorkommen, die sich hinsichtlich ihrer Funktion ganz oder teilweise überlappen, wird der Verlust eines einzigen Gens häufig durch andere Gene abgepuffert. Die Nullmutanten sind dann vom Wildtyp nicht zu unterscheiden und die Funktion des Gens bleibt verborgen.

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Die Wissenschaftler nutzten artifizielle microRNAs (amiRNAs), die gleichzeitig zwei bis sechs paraloge Transkriptionsfaktoren blockieren. Insgesamt untersuchten sie 6.828 transgene Pflanzen, die eine von 338 amiRNAs in sich trugen. 14 Tage nach der Stratifikation wurde jede einzelne von ihnen genau begutachtet. Die Forscher notierten Blatt- und Rosettengröße, Störungen in der Blattanzahl, der Form oder der Farbe.

Allein durch die Blattanalyse fanden sie 21 morphologisch sichtbare Phänotypen. Einige Pflanzen hatten extrem lange Blattstiele, bei anderen waren die Blätter kohlkopfartig verdichtet, manche fielen durch gezahnte Blattränder oder spitz zulaufende Blättchen auf. Solche Beschreibungen können Computer bisher nicht liefern, geschweige denn Rückschlüsse auf die möglicherweise beteiligten Gene ziehen. Doch automatisierte Phänotypisierungs-Systeme können den Menschen bereits jetzt in einigen Bereichen viel Arbeit abnehmen, damit die Forscher sich auf die wichtigen Dinge konzentrieren können.

Das Petrischalen-Karussell und die amiRNAs sind zwei sehr unterschiedliche Forschungsprojekte. Doch beide verfolgen das Ziel, die komplexen Entwicklungsvorgänge von Pflanzen besser zu verstehen. Dafür reicht es nicht aus, sich nur auf genetische oder molekularbiologische Daten zu beschränken. Erst durch eine Kombination mit nicht-invasiver Phänotypisierung kann es gelingen, die Pflanzen in ihrer Gesamtheit zu erfassen.