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 soeben veröffentlichte Studie, bei der Laserscanning und 3D-Druck kombiniert werden, um ein detailliertes 3D-Modell einer Zuckerrübenpflanze zu erstellen.

Die hier vorgestellten 3D-Pflanzenmodelle gehen über die Bereitstellung genetischer Informationen zur intelligenten Züchtung hinaus und erfassen die wesentlichen Merkmale der oberirdischen Teile der Zuckerrübenpflanze. Sie können für KI-gestützte Pipelines zur Verbesserung der Ernteerträge verwendet werden. Die Zuckerrübenpflanzenmodelle sind reproduzierbar und für den Einsatz auf dem Feld geeignet.

Alle Forschungsinformationen, Daten, Methoden sowie die 3D-Druckdateien sind frei verfügbar. Das Pflanzenmanagement erhält dringend benötigte Werkzeuge, und natürlich kann jetzt jeder seine eigene 3D-Zuckerrübenpflanze drucken (minimaler Wartungsaufwand). Das 3D-Modell der Zuckerrübenpflanze und seine Validierung werden in einem Neue Publikation im Journal GigaScience.

Die moderne Pflanzenzucht ist ein datenzentriertes Unterfangen, bei dem maschinelle Lernalgorithmen und hochentwickelte Bildgebungstechnologien zum Einsatz kommen, um erwünschte Merkmale auszuwählen. Die „Pflanzenphänotypisierung“ – die Wissenschaft der Erfassung präziser Informationen und Messungen von Pflanzen – hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht.

In der Vergangenheit stützte sich die Phänotypisierung auf Messungen, die mühsam von Menschen durchgeführt wurden. Heute werden Phänotypisierungsprozesse immer stärker automatisiert und nutzen modernste Sensortechnologie, oft unterstützt durch künstliche Intelligenz. Zu den durchgeführten Messungen können Größe, Fruchtqualität, Blattform und -größe sowie andere Wachstumsparameter gehören.

Neben der Effizienzsteigerung, die sich durch die Übergabe der Messarbeiten an automatisierte Pipelines ergibt, können computergestützte Sensoren oft auch komplexe Informationen über eine Anlage erfassen, die für Menschen im großen Maßstab nur schwer zu erfassen wären.

Ein entscheidender Aspekt in dieser neuen, sensorgesteuerten Welt der Pflanzenzüchtung ist die Verfügbarkeit präzisen Referenzmaterials.

Den Sensoren müssen Daten einer „Standardpflanze“ präsentiert werden, die alle relevanten Merkmale umfassen, darunter auch komplexere, dreidimensionale Merkmale wie den Winkel, in dem die Blätter ausgerichtet sind. Eine echte „künstliche Pflanze“ als Referenz in Originalgröße ist daher besser als nur Daten im Computer oder eine flache, zweidimensionale Darstellung. Ein echtes Modell kann beispielsweise auch als Referenz und interne Kontrolle in einem Gewächshaus oder auf einem Testfeld zwischen den echten Pflanzen eingesetzt werden.

Das neue 3D-gedruckte Modell einer Zuckerrübenpflanze wurde mit Blick auf diese Anwendungen entwickelt und hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Druckdateien kostenlos heruntergeladen und wiederverwendet werden können. Dies ermöglicht es anderen Wissenschaftlern (und eigentlich jedem Zuckerrübenliebhaber), eine exakte Kopie der Referenzzuckerrübe zu erstellen, wodurch die Forschung verschiedener Labore in verschiedenen Teilen der Welt vergleichbarer wird. Die Erschwinglichkeit des 3D-Drucks bedeutet auch, dass der Ansatz in ressourcenarmen Umgebungen, beispielsweise in Entwicklungsländern, angepasst werden kann.

Um die präzisen Daten für ihr realistisches Modell zu sammeln, nutzten die Autoren – Jonas Bömer und Kollegen vom Institut für Zuckerrübenforschung (Göttingen) und der Universität Bonn – die LIDAR-Technologie (Light Detection and Ranging). Kurz gesagt wurde eine echte Zuckerrübenpflanze mit einem Laser gescannt, um 3D-Daten aus 12 verschiedenen Blickwinkeln zu erstellen.

Nach der Verarbeitung dieser Daten wurden diese in einen handelsüblichen 3D-Drucker eingespeist, um das tatsächliche Modell der Zuckerrübe in Originalgröße zu erstellen. Anschließend testeten die Autoren das Modell für seinen beabsichtigten Einsatz als Referenzpunkt im Labor und auf dem Feld.

Jonas Bömer erläutert: „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 zur Erzeugung reproduzierbarer Referenzmodelle stellt eine neuartige Möglichkeit dar, standardisierte Methoden für eine objektive und präzise Referenzierung zu entwickeln, wovon sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch die praktische Pflanzenzucht profitieren.“

Natürlich ist dieser Ansatz nicht auf Zuckerrüben beschränkt und die neue Studie zeigt, wie die Kombination aus künstlicher Intelligenz, 3D-Druck und Sensortechnologie zur Pflanzenzucht der Zukunft beitragen kann – und so dabei hilft, die Weltbevölkerung mit gesunden, schmackhaften Pflanzen zu ernähren.

Datenwissenschaftler Chris Armit fügt hinzu: „Der Wert eines druckbaren 3D-Modells liegt darin, dass Sie mehrere Kopien drucken können, eine pro Feld. Als kostengünstige Phänotypisierungsstrategie, bei der der LIDAR-Scanner den größten Kostenfaktor darstellt, wäre es fantastisch, wenn dieser Ansatz auch an anderen Nutzpflanzen wie Reis oder afrikanischen Waisenpflanzen getestet würde, bei denen Bedarf an kostengünstigen Phänotypisierungslösungen besteht.“