Germany
September 1, 2022
Climate change is causing major challenges especially for plant breeders. An intelligent field robot and X-ray technology are helping them selecting heat-tolerant plant varieties. The sensors in the high-tech machine were developed by the Fraunhofer Development Center for X-ray Technology, a division of the Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS.
The field robot DeBiFix examines whole wheat fields to show how the kernels are developing inside the ears. This can be used as a basis to determine which varieties are particularly suitable for breeding. - © Fraunhofer IIS
Our summers keep becoming hotter. Just this summer, Germany experienced a heatwave with temperatures of up to 40 C. The resulting drought also affected plants. Given an ample supply of water, these plants can cool themselves via evaporation. However, they cannot do this when under drought stress. This is why plant breeders hope to develop heat-tolerant, drought-resistant plants that can survive with less water – and yet still produce a good yield while requiring the smallest possible amount of fertilizer and pesticides.
The breeders have been receiving support from researchers at Fraunhofer EZRT, where for many years research has been carried out into technologies for determining plant phenotypes. This refers to their external appearance, which includes a multitude of factors such as leaf size, leaf arrangement, root thickness and yield. “People have been selecting crops based on external characteristics for thousands of years,” explains Dr. Stefan Gerth, Head of Department AMS of the Fraunhofer Development Center for X-ray Technology. “We’re developing technologies to objectively measure these phenotype characteristics and optimize breeding based on this data.”
X-ray image of a potato tuber - © Fraunhofer IIS
Using 3D imaging to predict yields
For example, the research team led by Dr. Gerth has developed DeBiFix, a field robot for agricultural applications. As DeBiFix makes its way through densely packed ears of wheat it continuously takes X-ray images of the plants. At the same time, it generates 3D images using an optical system. This is important information for the breeder who owns the field that the robot is working in – it allows them to essentially look inside the ears of wheat and determine whether the variety they are cultivating will produce a good yield.
Biogenic value creation and smart farming project
The most important objective of the trans-regional Fraunhofer smart farming project is to support breeders. The Fraunhofer Center for Plant Phenotyping Technologies is being launched in Triesdorf, Bavaria as part of this project. At this location, Dr. Gerth and his colleagues intend to develop their expertise and translate it into real-life application. Triesdorf, Germany’s smallest town with a university, is home to agricultural teaching institutes and the Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Science, making it a trans-regional center for agriculture. Fraunhofer IIS works closely with the Competence Center for Digital Agriculture located there.
Selecting heat-tolerant plant varieties
In the lab cubicle for phenotyping plants in climate-controlled environments at Fraunhofer EZRT in Fürth, Dr. Gerth demonstrates how breeders will work in the future. On the narrow conveyor belt in front of the X-ray machine, pots of various crop plants are arranged in neat rows. The door of the X-ray machine opens, and a pot rolls inside. Once the door has closed, the pot undergoes a computed tomography scan, among other tests. Just five minutes later, it’s time for the next pot. “Over ten years ago, we started X-raying potato plants to get information about the tubers’ growth,” reports Dr. Gerth. “Based on the 3D X-ray scans, we can determine the weight of the tubers without having to dig them up.” This process is being used for tasks such as selecting particularly heat-tolerant varieties. To this end, the plants are placed under heat stress inside the lab cubicle. The scans then show which plants deal with the stress most effectively, forming strong tubers in spite of the heat.
Whereas only thick roots and tubers could be X-rayed with the first computer tomography scans, the new systems can also capture the delicate underground root structure of wheat. “Our new X-ray machine is the most modern, powerful system for X-raying parts of plants underground,” says Dr. Gerth.
Researchers at Fraunhofer EZRT are also conducting 3D digital imaging of the parts of the plants that are above ground, such as leaves and ears of wheat. This data can be used to determine more than just the area of the leaf surface – the 3D images also provide information on the plant’s heat tolerance. Does the plant raise its leaves to protect itself from the sun? Does it curl up its leaves due to stress?
Using AI to analyze individual plant phenotypes
The efficiency of Fraunhofer EZRT’s optical plant recognition systems was clearly demonstrated in a test field at the seed company Strube D&S GmbH. In this case, the second BlueBob prototype was used – a field robot that navigates by itself and automatically removes weeds in sugar beet fields. As it moves between the rows, it records images of all living plants using multispectral cameras. “By using artificial intelligence, the phenotype of each individual plant is analyzed and classified as either a weed or a beet plant,” explains Christian Hügel, Head of the Technical Center of Seed Research at Strube. If BlueBob 2.0 identifies a weed, it removes it from the ground with its hoeing tools. It removes weeds both between the rows (using static tools) and within the rows (using moving tools). As a result, almost all of the weeds around the beet plants are removed. This means the use of chemical weed killers can be drastically reduced.
One major work package at the new center in Triesdorf will involve processing the data obtained during phenotyping. “Our main goal is to use our technology to support small and medium-sized plant breeders,” emphasizes Dr. Gerth.
Smart Farming - Hitzetolerante Pflanzen gegen den Klimawandel
Wegen des Klimawandels kommen auf Pflanzenzüchter große Herausforderungen zu. Ein intelligenter Feldroboter und Röntgentechnik unterstützen sie bei der Selektion hitzetoleranter Pflanzensorten. Die Sensorik der Hightech-Maschine ist eine Entwicklung des Fraunhofer-Entwicklungszentrums für Röntgentechnik EZRT, ein Bereich des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS.
Der Feldroboter DeBiFix untersucht ganze Weizenfelder auf den Wachstumsverlauf der Körner in den Ähren. Auf dieser Grundlage kann entschieden werden, welche Sorten sich besonders gut für die Züchtung eignen. - © Fraunhofer IIS
Unsere Sommer werden immer heißer. Erst in diesem Sommer erlebte Deutschland eine Hitzewelle mit Temperaturen bis 40 Grad. Die damit einhergehende Trockenheit setzte auch den Pflanzen zu. Bei guter Wasserversorgung können diese sich durch Verdunstung kühlen. Das funktioniert unter Trockenstress jedoch nicht mehr. Das Ziel von Pflanzenzüchtern sind daher Pflanzen, die mit weniger Wasser auskommen, hitzetolerant und trockenheitsresistent sind – aber dennoch gute Erträge liefern und mit möglichst wenig Dünger sowie Pestiziden auskommen.
Unterstützung erhalten die Züchterinnen und Züchter von Forschenden des Fraunhofer EZRT. Dort beschäftigt man sich seit vielen Jahren mit Technologien zur Bestimmung des Phänotyps von Pflanzen. Damit ist das äußere Erscheinungsbild gemeint, das zahlreiche Faktoren beinhaltet wie Blattgröße, Blattstellung, Wurzeldicke oder Ertrag. »Die Menschen selektieren bereits seit Jahrtausenden Nutzpflanzen anhand äußerer Merkmale«, erklärt Dr. Stefan Gerth, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS. »Wir entwickeln Technologien, um diese phänotypischen Merkmale objektiv zu messen und anhand der Daten die Züchtung zu optimieren.«
Röntgenbild einer Kartoffelknolle - © Fraunhofer IIS
Ertragsprognose mithilfe von 3D-Bildern
Beispielsweise hat das Forscherteam um Dr. Gerth die Sensorik für einen Roboter entwickelt, der in der Landwirtschaft eingesetzt wird: Während der Feldroboter DeBiFix sich seinen Weg durch dicht stehende Ähren bahnt, macht er kontinuierlich Röntgenaufnahmen der Pflanzen. Gleichzeitig erzeugt er mit einem optischen System 3D-Bilder. Für den Züchter, auf dessen Feld der Roboter unterwegs ist, sind das wichtige Informationen. Er kann anhand der Daten quasi in die Weizenähren hineinschauen und erkennen, ob die angebaute Sorte einen guten Ertrag liefern wird.
Projekt »Biogene Wertschöpfung und Smart Farming«
Die Unterstützung der Züchter ist das wichtigste Ziel des überregionalen Fraunhofer-Projekts »Biogene Wertschöpfung und Smart Farming«, innerhalb dessen das Fraunhofer-Zentrum für Technologien in der Pflanzen-Phänotypisierung am Standort Triesdorf in Mittelfranken aufgebaut wird. Hier wollen Gerth und seine Kolleginnen und Kollegen die Kompetenzen ausbauen und in die Anwendung bringen. Deutschlands kleinster Ort mit Hochschule ist ein überregionales Zentrum für Landwirtschaft mit den Landwirtschaftlichen Lehranstalten und der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf. Mit dem dortigen Kompetenzzentrum digitale Landwirtschaft arbeitet das Fraunhofer IIS eng zusammen.
Selektion von hitzetoleranten Sorten
In der Laborkabine zur Phänotypisierung von Pflanzen in kontrollierter Klimaumgebung des Fraunhofer EZRT in Fürth zeigt Stefan Gerth, wie Züchter in Zukunft arbeiten werden. Auf dem schmalen Fließband vor der Röntgenkammer stehen Töpfe mit unterschiedlichen Nutzpflanzen in Reih und Glied. Die Tür der Kammer öffnet sich, ein Blumentopf rollt hinein. Nachdem sich die Tür wieder geschlossen hat, wird der Topf unter anderem von einem Computertomographen gescannt. Nur fünf Minuten später ist die nächste Pflanze an der Reihe. »Wir haben vor über zehn Jahren begonnen, Kartoffelpflanzen zu röntgen, um Auskunft über das Wachstum der Knollen zu bekommen«, berichtet Gerth. »Anhand der 3D-Röntgen-Scans können wir das Gewicht der Knollen bestimmen, ohne sie auszugraben.« Genutzt wird das Verfahren zum Beispiel bei der Selektion von besonders hitzetoleranten Sorten. Dazu setzt man die Pflanzen in der Laborkabine zur Phänotypisierung Hitzestress aus. Auf den Scans lässt sich dann beobachten, welche Pflanzen am besten damit zurechtkommen und trotzdem kräftige Knollen bilden.
Während sich mit den ersten Computertomographen nur dicke Wurzeln und Knollen röntgen ließen, können die neuen Systeme auch die feine unterirdische Wurzelarchitektur von Weizen erfassen. »Unsere neue Röntgenkabine ist das modernste und leistungsstärkste Röntgensystem für unterirdische Pflanzenteile«, betont Gerth.
Auch oberirdische Pflanzenbestandteile wie Blätter und Weizenähren werden am Fraunhofer EZRT digital in 3D erfasst. Anhand dieser Daten lässt sich nicht nur die Größe der Blattfläche bestimmen. Die 3D-Bilder geben ebenso Auskunft über die Hitzetoleranz. Stellt eine Pflanze ihre Blätter auf, um sich vor der Sonne zu schützen? Rollt sie stressbedingt ihre Blätter ein?
Mit KI den Phänotyp einzelner Pflanzen analysieren
Wie effizient die optischen Pflanzenerkennungssysteme des Fraunhofer EZRT arbeiten, ließ sich auf einem Versuchsfeld des Saatzuchtunternehmens Strube D&S GmbH beobachten. Dort war der zweite Prototyp des BlueBobs im Einsatz, ein autonom navigierender Feldroboter, der in Zuckerrübenfeldern automatisch das Unkraut hackt. Während er durch die Reihen fährt, erfasst er mit Multispektralkameras alle lebenden Pflanzen. »Mithilfe von Künstlicher Intelligenz wird der Phänotyp jeder einzelnen Pflanze analysiert und in Unkraut und Rübe klassifiziert«, erklärt Christian Hügel, Abteilungsleiter Saatgutforschung Produktion Zuckerrübe bei Strube. Identifiziert BlueBob 2.0 ein Unkraut, entfernt er es mit seinen Hackwerkzeugen aus dem Boden. Er entfernt sowohl zwischen den Reihen mit statischen Hacken als auch in der Reihe mit aktiven Hackwerkzeugen, was zu einer fast vollständigen Entfernung des Unkrauts im Rübenbestand führt. Der Einsatz chemischer Unkrautvernichtungsmittel kann dadurch drastisch reduziert werden.
Ein großes Arbeitspaket des neuen Triesdorfer Zentrums wird die Aufbereitung der bei der Phänotypisierung gewonnenen Daten umfassen. »Mit unserer Technologie wollen wir vor allem kleine und mittelständische Pflanzenzüchter unterstützen«, betont Stefan Gerth.
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