Assessment-Center für Pflanzen
In der IPK-PhänoSphäre wachsen Pflanzen nahezu wie unter Feldbedingungen
In der IPK PhänoSphäre können feldähnliche Umweltbedingungen reproduzierbar simuliert werden. (Bildquelle: © IPK Leibniz-Institut / J. Bergstein)
Mit der einzigartigen PhänoSphäre am IPK Gatersleben, eine ca. 500 Quadratmeter große und vollklimatisierte Kulturpflanzenhalle, können die Forscher:innen unterschiedlichste Umweltbedingungen sehr exakt simulieren. Eine Studie hat nun bestätigt, dass die Wachstumsbedingungen in der PhänoSphäre realen Feldbedingungen sehr nahekommen. Eine wichtige Voraussetzung, um molekulare Mechanismen für agronomisch wichtige Merkmale bei Pflanzen unter reproduzierbaren und realistischen Bedingungen zu erforschen. Auch die Züchtung von klimaresistenten Pflanzensorten kann davon profitieren.
Der Klimawandel stellt die Landwirtschaft vor große Herausforderungen. Um Pflanzensorten züchten zu können, die mit dem zukünftigen Klima gut zurechtkommen, müssen sie unter den zu erwarteten Umweltbedingungen getestet werden. „Mit der PhänoSphäre können wir der Pflanzenforschung eine neue Infrastruktur am IPK anbieten, in der nicht nur die Reaktionen der Pflanze auf verschiedene, variable Umweltbedingungen untersucht, sondern auch verschiedene Wetterszenarien für eine gesamte Saison durchgespielt werden können“, sagt Prof. Dr. Thomas Altmann, Leiter der Abteilung „Molekulare Genetik“ am IPK.
Vielfältige Simulationsmöglichkeiten
Für die aktuelle Studie haben Marc Heuermann und Gunda Wehrstedt die Entwicklung der Pflanzen dokumentiert.
Bildquelle: © IPK Leibniz-Institut/ J. Bergstein
Die PhänoSphäre bietet die Möglichkeit, atmosphärische Bedingungen wie CO2-Gehalt, Temperatur, Niederschlag und Windrichtung und -geschwindigkeit genau vorzugeben und zu variieren, ebenso sich ändernde Lichtbedingungen und die Simulation von Bewölkung. Die Pflanzen wachsen dabei in großen Containern, in denen unterschiedliche Bodentypen und -zusammensetzungen zum Einsatz kommen können. Auch die Bodentemperatur lässt sich regulieren. In Gewächshäuser und Klimakammern lässt sich dagegen eine solche Dynamik von Umweltbedingungen nicht so detailliert simulieren.
Doch bisher stellte sich immer noch die Frage, wie nahe die Wachstumsbedingungen in der PhänoSphäre tatsächlich an die realen Bedingungen im Freiland heranreichen. Das haben Forscher:innen des Leibniz-Institutes für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben nun untersucht.
Vergleich Feld, Gewächshaus und PhänoSphäre
Als Vergleichsgrundlage dienten Feldversuche über vier Jahre, bei denen die Forscher:innen elf verschiedene Sorten Mais (Zea mays) anbauten. Stündlich wurden die klimatischen Daten erfasst sowie das Pflanzenwachstum und die Entwicklungsverläufe protokolliert.
Anschließend wurden diese Maissorten für eine Saison in einem Gewächshaus und in der PhänoSphäre angebaut. Bei zwei Experimenten in der PhänoSphäre simulierten die Forscher:innen einmal die Umweltbedingungen anhand eines gemittelten klimatischen Profils des vierjährigen Freilandanbaus und im anderen Fall programmierten sie die PhänoSphäre mit dem exakten Klimaprofil einer einzelnen Maisanbausaison im Freiland.
Die Pflanzen im Gewächshaus wuchsen hingegen unter eher statischen Umweltbedingungen:16 Stunden Licht, acht Stunden Dunkelheit, Temperatur tagsüber bei 25 und nachts bei 18 Grad Celsius bzw. bei 80 und 60 Prozent Luftfeuchtigkeit.
Vielversprechende Ergebnisse
So sieht die PhänoSphäre von außen aus.
Bildquelle: © IPK Leibniz-Institut/ Andreas Baehring
Die Simulation der einzelnen Maisanbausaison in der PhänoSphäre führte zu vergleichbaren Pflanzenwachstum und Entwicklungsverläufen wie beim Freilandversuch (z.B. Zeitpunkt der maximalen Wuchsgeschwindigkeit, Wuchshöhe, Blattentwicklung und Entwicklung der männlichen Blüten).
Die Pflanzen aus dem Gewächshaus entwickelten sich dagegen deutlich schneller (höchste Wachstumsrate und größte Pflanzenhöhe). Die Pflanzen, die in der PhänoSphäre unter den gemittelten Klimadaten des Freilandversuchs wuchsen, zeigten ebenfalls kürzere Entwicklungszeiten. Die Werte lagen zwischen denen der Feldexperimente und denen des Gewächshauses, sowohl bei der maximalen Pflanzenhöhe als auch beim Erreichen der größten Wachstumsrate. Die Blütenstände entwickelten sich ca. 20-30 Tage früher als im Freiland.
Die Erträge, bezogen auf das Gesamtkorngewicht, waren in allen Experimenten in etwa gleich, mit Ausnahme der Simulation der einzelnen Maisanbausaison in der PhänoSphäre. Allerdings vermuten hier die Forscher:innen, dass die ungünstige Anordnung der Pflanzen in der Kulturpflanzenhalle dazu führte, dass zu wenig Pollen die weiblichen Blüten erreichten.
PhänoSphäre steht bereit!
Die Ergebnisse zeigen, dass die PhänoSphäre sehr gut geeignet ist, die natürlichen Umweltbedingungen auf dem Feld nachzubilden und damit auch zukünftige Klimaszenarien realistisch zu simulieren. Die Forscher:innen betonen, dass noch Verbesserungen möglich sind, zum Beispiel durch Animpfen der Containerböden mit Bodenmaterial aus dem Feld, um ein möglichst natürliches Bodenleben zu etablieren. Allerdings sind z.B. Interaktionen zwischen Pflanzen und Tieren wie etwa Insekten bisher nur begrenzt in der PhänoSphäre möglich.
Quelle:
Heuermann, M. C. et al (2023): Natural plant growth and development achieved in the IPK-PhenoSphere by dynamic environment simulation. In: Nature Communications, 18. September 2023. dx.doi.org/10.1038/s41467-023-41332-4
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Titelbild: In der IPK PhänoSphäre können feldähnliche Umweltbedingungen reproduzierbar simuliert werden. (Bildquelle: © IPK Leibniz-Institut / J. Bergstein)
