Die Phänotypisierung, bei der beobachtbare Pflanzenmerkmale beurteilt werden, ist entscheidend für das Verständnis der Pflanzenentwicklung und ihrer Reaktion auf Umweltbelastungen. Herkömmliche Methoden sind oft umständlich, kostspielig und destruktiv, was den Umfang und die Reichweite der Forschung einschränkt. Ein neues System erschwinglicher, mobiler und hochleistungsfähiger Phänotypisierungswerkzeuge macht die Technologie einem breiteren Benutzerkreis zugänglich.
Die von einem Team des Boyce Thompson Institute (BTI) entwickelte „All-in-One“-Lösung umfasst kostengünstige Hardwaredesigns, Datenverarbeitungspipelines und eine benutzerfreundliche Datenanalyseplattform. Das System von BTI erfasst Daten, ohne die Pflanzen zu schädigen, ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung des Pflanzenwachstums und liefert ein differenziertes Verständnis der Pflanzenreaktionen im Laufe der Zeit. Die Integration einfacher Hardware mit anspruchsvollen Rechenpipelines schafft eine effektive Phänotypisierungslösung mit hohem Durchsatz.
„Indem wir die Kosten und technischen Hürden der fortgeschrittenen Pflanzenphänotypisierung senken, ermöglicht unsere Arbeit Forschern weltweit, kostengünstige, datengestützte Studien durchzuführen“, sagte Magda Julkowska, Assistenzprofessorin am BTI und Co-Leiterin der Studie. „Dies könnte die Züchtung widerstandsfähigerer und produktiverer Nutzpflanzen beschleunigen und so die Ernährungssicherheit auf nachhaltige Weise verbessern.“
Mithilfe ihres neuen Phänotypisierungs-Toolsets analysierte das Forschungsteam die Dürreresistenz von Augenbohnen, einem Grundnahrungsmittel für Millionen Menschen in trockenen Regionen. Sie identifizierten mehrere genetische Loci, die mit der Dürrereaktion in Zusammenhang stehen, und ebneten damit den Weg für die Züchtung widerstandsfähigerer Sorten. Diese Ergebnisse und die Details ihrer innovativen Plattform wurden kürzlich in veröffentlicht Pflanzenphysiologie.
„Diese Technologie könnte dazu beitragen, Regionen zu verändern, in denen Wasserknappheit die Nahrungsmittelsicherheit bedroht, indem sie lokalisierte, kostengünstige Forschungen zur Leistungsfähigkeit von Nutzpflanzen unter Stressbedingungen ermöglicht“, bemerkte Li’ang Yu, Postdoktorand am BTI und Co-Erstautor der Studie. „Die Anpassungsfähigkeit des Systems bedeutet, dass es für verschiedene Arten verwendet werden kann, von Grundnahrungsmitteln bis hin zu weniger verbreiteten Pflanzen.“
Eines der herausragenden Merkmale des Systems ist seine Integration in benutzerfreundliche Rechenpipelines. Hayley Sussman, Wissenschaftlerin bei BTI und Co-Erstautorin der Studie, erklärt: „Die von uns entwickelte RaspiPheno-App rationalisiert die Datenanalyse und bietet eine interaktive Plattform zur Verarbeitung und Visualisierung phänotypischer Daten. Dies verkürzt die Lernkurve und ermöglicht es den Forschern, sich auf biologische Erkenntnisse statt auf technische Hürden zu konzentrieren.“
Mit Blick auf die Zukunft freut sich das Team darauf, dass andere dieses System übernehmen und darauf aufbauen. Alle Hardware-Designs, Software und detaillierten Protokolle wurden erstellt Öffentlich verfügbar„Indem wir diese Tools öffentlich zugänglich machen, hoffen wir, neue Entdeckungen und Kooperationen zu ermöglichen, die dazu beitragen können, einige der großen Herausforderungen zu bewältigen, vor denen die Landwirtschaft heute steht“, sagte Andrew Nelson, Assistenzprofessor am BTI und Co-Leitautor der Studie.
Die Arbeit des Teams ist ein überzeugendes Beispiel dafür, wie die Verbesserung von Phänotypisierungstechnologien die Forschung und Umsetzung in der Pflanzenbiologie beschleunigen kann. Je mehr Wissenschaftler diese Werkzeuge nutzen, desto schneller können wir wichtige Merkmale verstehen und widerstandsfähigere, produktivere Pflanzensorten für die Zukunft entwickeln.
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Li’ang Yu et al., Entwicklung eines mobilen, hochleistungsfähigen und kostengünstigen bildbasierten Systems zur Phänotypisierung des Pflanzenwachstums, Pflanzenphysiologie (2024). DOI: 10.1093/plphys/kiae237