Großes Pflanzen-Kino

Projekte aus dem Forschungsbereich der Phänotypisierung geben interessante Einblicke in das Innere von Pflanzen. Durch die nichtinvasiven Methoden kann eine nachhaltige Pflanzenproduktion mit erhöhter Effizienz in Bezug auf die Nutzung von Land, Wasser und Nährstoffen ermöglicht werden. In diesem Artikel beschreiben wir zwei innovative Ansätze.

Bild- oder Videoaufnahmen von sich bewegenden Objekten herzustellen, ist oft mühselig. Man denke nur an ein Tennismatch: Mit jeder Ballbewegung muss die Kamera bewegt und fokussiert werden. Ist das Untersuchungsobjekt kein Tennismatch, sondern das Wachstum einer mikroskopisch kleinen Wurzel, erscheint das Vorhaben nochmals schwieriger. Noch dazu in einer räumlichen Auflösung in 3D. Zwar bewegt sich die Wurzel in diesem Fall bei weitem nicht so schnell wie ein Tennisball, dafür aber für einen deutlich längeren Zeitraum.

Software macht Wurzeln in 3D sichtbar

Ein internationales Team unter Leitung eines deutschen Wissenschaftlers entwickelte nun eine Software, die es ermöglicht, das Wachstum einer Wurzel über mehrere Tage zu verfolgen. Dabei konnten die Forscherinnen und Forscher auch das Zellwachstum und die Zellteilung in den Spitzen von Wurzeln in 3D sichtbar machen. Ihre Versuche führten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Modellsystem der Pflanzenforschung, der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) durch.

Spezieller Aufbau ist nötig

Für die Sichtbarmachung des Wurzelwachstums wird besonderes Equipment benötigt: Ein spezielles Laser-Scanning-Mikroskop, das mithilfe von Fluoreszenz dreidimensionale Bilder erzeugen kann. Ein spezielles Beleuchtungssystem, welches die Pflanzen während der langen Prozedur physiologisch aktiv und gesund hält, und ein weiteres, seitlich angebrachtes Mikroskop, sodass die Pflanzen auch in der vertikalen verfolgt werden können. Zusätzlich platzierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Pflanzen auf einer rotierenden Plattform. Dadurch war es zusätzlich möglich, den Einfluss von veränderter Schwerkraft auf das Wurzelwachstum zu untersuchen. Für die notwendige ständige Justierung der Optik im Mikroskop entwickelte das Forscherteam eine spezielle Software.

Durch die Veröffentlichung des Quelltextes dieses Computerprogrammes können andere Forscherinnen und Forscher das Programm nicht nur nutzen, sondern auch nach ihren Bedürfnissen verändern. Auch eine fachfremde Nutzung ist denkbar, da sich die Anwendung für andere sich bewegende Objekte im mikroskopischen Maßstab nutzen lässt.

GrowApp macht Entwicklungszyklus sichtbar

Einen anderen Ansatz zur Überwachung von Pflanzen verfolgt eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität zu Köln. Sie entwickelten mit der „GrowApp“ eine Smartphone Anwendung, die den jährlichen Entwicklungszyklus von Pflanzen sichtbar macht. Dabei setzt die Gruppe ganz im Sinne des Citizen Science-Ansatzes auf Nicht-Wissenschaftler, also Bürgerinnen und Bürger, die aktiv in die Generierung von Ergebnissen involviert werden sollen.

Die von den Teilnehmerinnen und Teilnehmern gemachten Fotos von Pflanzen oder ganzen Landschaften werden in eine Website geladen und auf dieser in eine Animation umgewandelt. Dadurch kann die Pflanzenentwicklung, aber auch Veränderungen in der Umwelt sichtbar gemacht und verglichen werden. Wird das Projekt, also die App, gut angenommen, kann daraus ein umfassender Atlas zur Pflanzenentwicklung und deren Wechselwirkung in unterschiedlichen Umwelten geschaffen werden. Klimaeffekte auf das Pflanzenwachstum können, so die Hoffnung der Wissenschaftler, so sichtbar werden. Als Service für die breite Öffentlichkeit geben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler regelmäßig Rückmeldung zu den beobachteten Entwicklungen der Pflanzen und helfen dabei, diese besser zu verstehen. Sechzehn europäische Länder wollen am Projekt teilnehmen.

Phänotypisierungs-Projekte können Effizienz erhöhen

Doch warum sind Projekte rund um die Phänoptyisierung von Pflanzen wichtig? Egal ob im Labor unter kontrollierten, exakt definierten oder unter natürlichen und weniger dokumentierten Bedingungen, es entsteht ein kompletteres Entwicklungsbild und den entsprechenden Einflussgrößen.

Ziel ist es, ein besseres Verständnis von Struktur- und Funktionsbeziehungen und den Wechselwirkungen mit der Umwelt zu erlangen. Während molekulare und genetische Methoden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erfahren haben, wurde die quantitative Analyse von Phänotypen zum mehr und mehr limitierenden Faktor. Aus diesem Grund wurde 2012 das Deutsche Phänotypisierungsnetzwerk (DPPN) gegründet. Neue Technologien und Methoden für die nichtinvasive Phänotypisierung im Hochdurchsatz wurden im DPPN entwickelt. Aus der Forschung lassen sich diese Methoden schon längst nicht mehr wegdenken. Aber auch in der landwirtschaftlichen Praxis werden diese immer öfter eingesetzt. Sei es bei der Züchtung, bei der Vermehrung oder sogar beim Anbau von Kulturpflanzen. Die Digitalisierung und die Automatisierung in der Landwirtschaft sind im vollen Gange. Ziel ist es, die Pflanzenproduktion nachhaltiger und effizienter zu gestalten.