Verbesserung von Nutzpflanzen mit Laserstrahlen und 3D-Druck
Ein Beispiel dafür, wie neue Technologien in der Pflanzenzucht des 21. Jahrhunderts eingesetzt werden können, ist eine gerade veröffentlichte Forschungsarbeit, die Laserscanning und 3D-Druck kombiniert, um ein detailliertes 3D-Modell einer Zuckerrübenpflanze zu erstellen.
Traditionell basierte die Pflanzenphänotypisierung – die Wissenschaft der genauen Erfassung von Pflanzenmerkmalen – auf zeitaufwändigen, manuellen Messungen. Heutzutage werden diese Prozesse zunehmend automatisiert, unterstützt durch fortschrittliche Sensortechnologien und maschinelles Lernen. Diese Technologien erfassen Parameter wie Größe, Fruchtqualität, Blattform und Wachstumsraten. Automatisierte Systeme können oft komplexe Informationen über eine Pflanze sammeln, die für Menschen schwer auf großer Skala zu ermitteln sind.
Ein zentraler Aspekt in dieser sensorbasierten Züchtung ist die Verfügbarkeit präziser Referenzmaterialien. Die Sensoren benötigen Daten zu einer „Standardpflanze“, die alle relevanten Merkmale umfasst, einschließlich dreidimensionaler Eigenschaften wie dem Blattwinkel. Ein physisches Modell bietet hier deutliche Vorteile gegenüber rein digitalen oder zweidimensionalen Darstellungen. Es kann beispielsweise als Referenz und interne Kontrollinstanz in einem Gewächshaus oder Testfeld unter realen Pflanzen genutzt werden.
Jonas Bömer erklärt: “Im Bereich der dreidimensionalen Pflanzenphänotypisierung stellt die Referenzierung der eingesetzten Sensorsysteme, Computeralgorithmen und erfassten morphologischen Parameter eine anspruchsvolle, aber grundsätzlich wichtige Aufgabe dar. Die Anwendung additiver Fertigungstechnologien für die Erstellung reproduzierbarer Referenzmodelle stellt eine neuartige Möglichkeit dar, standardisierte Methoden für objektive und präzise Referenzierungen zu entwickeln, was sowohl der wissenschaftlichen Forschung als auch der praktischen Pflanzenzucht zugute kommt.”
Das neue 3D-gedruckte Modell einer Zuckerrübenpflanze wurde mit diesen Anwendungen im Sinn entwickelt. Die Druckdateien sind frei zugänglich, was es Forschenden weltweit ermöglicht, exakte Kopien des Referenzmodells zu erstellen. Dies fördert die Vergleichbarkeit von Forschungsergebnissen und erleichtert die Anwendung der Methode auch in ressourcenarmen Umgebungen, wie etwa in Entwicklungsländern.
Zur Erfassung der präzisen Daten für das realistische Modell verwendeten Jonas Bömer und Kollegen vom Institut für Zuckerrübenforschung (Göttingen) und der Universität Bonn LIDAR-Technologie (Light Detection and Ranging). Eine echte Zuckerrübenpflanze wurde aus zwölf verschiedenen Blickwinkeln mit einem Laser gescannt. Nach Verarbeitung der Daten wurde das Modell mit einem kommerziellen 3D-Drucker erstellt und für den Einsatz im Labor und Feld getestet.
Der Datenwissenschaftler Chris Armit fügt hinzu: “Der Wert eines druckbaren 3D-Modells liegt darin, dass man mehrere Kopien drucken kann, eine pro Feld von Pflanzen. Da es sich um eine kostengünstige Phänotypisierungsstrategie handelt, bei der die Hauptkosten der LIDAR-Scanner sind, wäre es fantastisch zu sehen, wie dieser Ansatz bei anderen Kulturpflanzen wie Reis oder afrikanischen Waisenkulturen getestet wird, bei denen ein Bedarf an kostengünstigen Phänotypisierungslösungen besteht.”