Bekæmpelse af klimaændringer med varmetolerante planter

Klimaforandringerne giver store udfordringer især for planteavlere. En intelligent feltrobot og røntgenteknologi hjælper dem med at vælge varmetolerante plantesorter. Sensorerne i den højteknologiske maskine er udviklet af Fraunhofer Development Center for X-ray Technology, en afdeling af Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS.

Vores somre bliver ved med at blive varmere. Netop denne sommer oplevede Tyskland en hedebølge med temperaturer på op til 40 C. Den resulterende tørke ramte også planter. Med rigelig vandforsyning kan disse planter afkøle sig selv via fordampning. Det kan de dog ikke, når de er under tørkestress. Det er grunden til, at planteavlere håber på at udvikle varmetolerante, tørkeresistente planter, der kan overleve med mindre vand – og alligevel producere et godt udbytte, mens de kræver den mindst mulige mængde gødning og pesticider.

Opdrætterne har fået støtte fra forskere hos Fraunhofer EZRT, hvor der i mange år er blevet forsket i teknologier til bestemmelse af plantefænotyper. Dette refererer til deres ydre udseende, som omfatter en lang række faktorer såsom bladstørrelse, bladarrangement, rodtykkelse og udbytte. "Folk har valgt afgrøder baseret på ydre karakteristika i tusinder af år," forklarer Dr. Stefan Gerth, afdelingsleder AMS fra Fraunhofer Development Center for X-ray Technology. "Vi udvikler teknologier til objektivt at måle disse fænotypekarakteristika og optimere avlen baseret på disse data."

Brug af 3D-billeddannelse til at forudsige udbytte

For eksempel har forskerholdet ledet af Dr. Gerth udviklet DeBiFix, en feltrobot til landbrugsapplikationer. Da DeBiFix baner sig vej gennem tætpakkede hvedeaks, tager den løbende røntgenbilleder af planterne. Samtidig genererer den 3D-billeder ved hjælp af et optisk system. Dette er vigtig information for opdrætteren, der ejer marken, som robotten arbejder i - det giver dem mulighed for i det væsentlige at se ind i hvedeaksen og afgøre, om den sort, de dyrker, vil give et godt udbytte.

Biogen værdiskabelse og smart landbrugsprojekt

Det vigtigste mål med det transregionale Fraunhofer smart farming-projekt er at støtte opdrættere. Fraunhofer Center for Plant Phenotyping Technologies lanceres i Triesdorf, Bayern som en del af dette projekt. På dette sted har Dr. Gerth og hans kolleger til hensigt at udvikle deres ekspertise og omsætte den til virkelige anvendelser. Triesdorf, Tysklands mindste by med et universitet, er hjemsted for landbrugsundervisningsinstitutioner og Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Science, hvilket gør det til et tværregionalt center for landbrug. Fraunhofer IIS arbejder tæt sammen med kompetencecentret for digitalt landbrug, der ligger der.

Valg af varmetolerante plantesorter

I laboratoriekabinen til fænotypebestemmelse af planter i klimakontrollerede miljøer hos Fraunhofer EZRT i Fürth demonstrerer Dr. Gerth, hvordan opdrættere vil arbejde i fremtiden. På det smalle transportbånd foran røntgenmaskinen står potter med forskellige afgrødeplanter i pæne rækker. Døren til røntgenmaskinen åbnes, og en gryde ruller indenfor. Når døren er lukket, gennemgår potten blandt andet en computertomografiscanning. Bare fem minutter senere er det tid til den næste gryde.

"For over ti år siden begyndte vi at røntgenfotografere kartoffelplanter for at få information om knoldenes vækst," fortæller Dr. Gerth. "Baseret på 3D-røntgenscanningerne kan vi bestemme vægten af ​​knoldene uden at skulle grave dem op." Denne proces bliver brugt til opgaver som at vælge særligt varmetolerante sorter. Til dette formål placeres planterne under varmestress inde i laboratoriebåsen. Scanningerne viser så, hvilke planter der håndterer stressen mest effektivt og danner stærke knolde på trods af varmen.

Mens kun tykke rødder og knolde kunne røntgenstråles med de første computertomografiscanninger, kan de nye systemer også fange hvedens sarte underjordiske rodstruktur. "Vores nye røntgenmaskine er det mest moderne, kraftfulde system til røntgenoptagelse af dele af planter under jorden," siger Dr. Gerth.

Forskere ved Fraunhofer EZRT udfører også 3D digital billeddannelse af de dele af planterne, der er over jorden, såsom blade og ører af hvede. Disse data kan bruges til at bestemme mere end blot arealet af bladoverfladen – 3D-billederne giver også information om plantens varmetolerance. Hæver planten sine blade for at beskytte sig mod solen? Krøller den sine blade på grund af stress?

Brug af AI til at analysere individuelle plantefænotyper

Effektiviteten af ​​Fraunhofer EZRTs optiske plantegenkendelsessystemer blev tydeligt demonstreret i en testmark hos frøfirmaet Strube D&S GmbH. I dette tilfælde blev den anden BlueBob-prototype brugt - en markrobot, der navigerer af sig selv og automatisk fjerner ukrudt i sukkerroemarker. Når den bevæger sig mellem rækkerne, optager den billeder af alle levende planter ved hjælp af multispektrale kameraer.

"Ved at bruge kunstig intelligens bliver hver enkelt plantes fænotype analyseret og klassificeret som enten en ukrudtsplante eller en roeplante," forklarer Christian Hügel, leder af det tekniske center for frøforskning i Strube. Hvis BlueBob 2.0 identificerer et ukrudt, fjerner det det fra jorden med sine hakkeværktøjer. Det fjerner ukrudt både mellem rækkerne (ved hjælp af statiske værktøjer) og inden for rækkerne (ved hjælp af bevægelige værktøjer). Som følge heraf fjernes næsten alt ukrudt omkring roeplanterne. Det betyder, at brugen af ​​kemiske ukrudtsmidler kan reduceres drastisk.

En større arbejdspakke i det nye center i Triesdorf vil involvere behandling af data opnået under fænotyping. "Vores hovedmål er at bruge vores teknologi til at støtte små og mellemstore planteavlere," understreger Dr. Gerth. + Udforsk yderligere

Forbehandling af jord med ethanol beskytter planter mod tørke