Der Klimawandel führt dazu, dass Dürren häufiger und schwerwiegender werden – weshalb die Forschung zur Entwicklung dürreresistenter Nutzpflanzen wichtiger denn je ist. Jetzt haben Forscher einen neuen Rahmen entwickelt, der diese wichtige Forschung beschleunigen soll.
Eine der Herausforderungen bei der Pflanzenzüchtung besteht darin, dass Forscher sorgfältige Messungen von Hunderten (oder Tausenden) einzelnen Pflanzen in vielen verschiedenen Versuchsparzellen durchführen müssen, um zu beurteilen, welche Pflanzenstämme die wünschenswertesten Eigenschaften aufweisen (und daher gute Kandidaten dafür wären). zukünftige Ernten). Dieser Prozess ist sowohl mühsam als auch zeitaufwändig.
Doch ein Forschungsteam unter der Leitung von Frank Bai hat einen Rahmen zur Messung einiger dieser phänotypischen Merkmale entwickelt, der die Sache beschleunigen soll. Bai, kürzlich Assistenzprofessor am Department of Biological and Agricultural Engineering des US-Bundesstaates North Carolina hat einen Aufsatz veröffentlicht im Tagebuch Feldfruchtforschung Darin wird ein neuer Rahmen für die schnelle Bewertung zweier wichtiger dürreresistenter Merkmale in Nutzpflanzenforschungsflächen skizziert. Wir haben mit Bai gesprochen, um mehr zu erfahren.
Was ist die grundlegende Idee Ihrer neuen Arbeit?
Die große Idee besteht darin, ein einfach zu verwendendes Sensor- und Modellierungssystem zu entwickeln, um Pflanzenzüchtern und Wissenschaftlern ein genaues, automatisches Hochdurchsatz-Screening der Evapotranspiration (ET) und der Wassernutzungseffizienz (WUE) für einzelne Zuchtparzellen zu ermöglichen. ET bezieht sich auf den Wasserverlust durch Bodenverdunstung und Pflanzentranspiration (wobei Wasser verdunstet, wenn Pflanzen hauptsächlich durch die Spaltöffnungen auf ihren Blättern „ausatmen“). WUE bezieht sich darauf, wie viel Biomasse pro Einheit Wasser gewonnen wird, die einer Pflanze zugeführt wird.
Zuchtparzellen sind Abschnitte eines Feldes, die für die Pflanzenzucht reserviert sind. Wenn es um die Erforschung der Entwicklung neuer Sorten einer Nutzpflanze geht, nutzen Züchter häufig kleinere Parzellengrößen, damit sie eine große Anzahl in Frage kommender Genotypen (oder Zuchtlinien) auf einem begrenzten Gebiet einbeziehen können. Dies bedeutet, dass diese Parzellen im Vergleich zu Feldversuchen im Produktionsmaßstab recht klein sind. Bei der Recherche, die wir für diese Arbeit durchgeführt haben, haben wir uns auf experimentelle Zuchtparzellen für Mais konzentriert – jede Parzelle war 6,1 Meter lang und 4,6 Meter breit.
Die Messung von ET und WUE mit konventionellen Techniken erfordert, dass man zu jeder Parzelle geht und eine Vielzahl sorgfältiger Messungen durchführt – mit tragbaren Instrumenten, um Parameter zu messen oder Feldnotizen einzelner Blätter zu machen und so weiter. Das ist unglaublich zeitaufwändig und die Messgeschwindigkeit (bzw. der Durchsatz) ist gering.
Unser Ziel bei dieser Arbeit war es, einen Ansatz zu entwickeln, der viel schneller ist, ohne Einbußen bei der Genauigkeit.
Bestehende Hochdurchsatzwerkzeuge zur Messung phänotypischer Merkmale konzentrieren sich auf morphologische Merkmale (z. B. Kronendachhöhe und oberirdische Biomasse) und Merkmale, die mithilfe spektraler Bildgebungstechnologien gemessen werden können (z. B. Normalized Difference Vegetation Index). Einige dieser Merkmale können mit der WUE auf Handlungsebene in Zusammenhang stehen. Unser Ansatz schätzt WUE direkt, indem er morphologische und spektrale Phänotypisierung mit physikalischen ET-Modellen kombiniert.
Warum ist das aus Sicht eines Landwirts wichtig?
Letztendlich wird uns dies helfen, besseres Saatgut zu züchten, um Dürreereignisse zu bewältigen.
Da die Pflanzentranspiration außerdem einer der wichtigsten physiologischen Prozesse in Pflanzen ist und mit der Photosyntheseaktivität gekoppelt ist, wird unser Tool bei der präzisen Feldbewirtschaftung durch die Kartierung von Pflanzenstress für Landwirte wertvoll sein.
Okay, wie genau hilft das Forschern, die versuchen, dürreresistente Nutzpflanzen zu züchten?
Mit diesem Screening-Tool können Züchter schnell die besten genetischen Linien auswählen, ohne arbeitsintensives Feld-Scouting. Mit anderen Worten: Sie können herausfinden, welche Zuchtparzellen Pflanzen enthalten, die hinsichtlich der Trockenheitstoleranz die wünschenswertesten Eigenschaften aufweisen.
Was ist also der nächste Schritt?
Ich plane, dieses Sensor- und Modellierungs-Framework in ein drohnenbasiertes Sensorsystem zu integrieren. Unser Ziel ist es, dass die Drohnen die relevanten Daten an einem Forschungsstandort sammeln, die notwendigen Berechnungen durchführen, um ET und WUE für jede Brutfläche am Standort zu bestimmen, und diese Ergebnisse den Forschern melden.
Wie lange wird es Ihrer Meinung nach dauern, bis diese neue Methode tatsächlich Auswirkungen auf die Entwicklung dürretoleranterer Pflanzen hat?
Ich gehe davon aus, dass mein Labor dieses Tool innerhalb von zwei Jahren an Züchter liefern kann. Derzeit sind wir dabei, die Finanzierung für die Entwicklung eines Prototyps sicherzustellen, mit dem wir diesen Ansatz weiter validieren können.
Weitere Informationen:
Geng (Frank) Bai et al., Hochdurchsatzphysiologische Phänotypisierung der Evapotranspiration von Nutzpflanzen auf Parzellenebene, Feldfruchtforschung (2024). DOI: 10.1016/j.fcr.2024.109507