Germany
September 19, 2023
In der IPK PhänoSphäre können feldähnliche Umweltbedingungen reproduzierbar simuliert werden.
Für die Erforschung molekularer Mechanismen in Pflanzen ist die geringe Vergleichbarkeit der Anbaubedingungen ein großes Problem. Die PhänoSphäre am IPK Leibniz-Institut eröffnet jetzt völlig neue Möglichkeiten. Feldähnliche Umweltbedingungen können nun reproduzierbar simuliert werden. Ein Forschungsteam hat an Maispflanzen eine einzelne Anbausaison in der Anlage nachgestellt und die Daten zur Entwicklung der Pflanzen mit denen eines vieljährigen Feldversuches, einer gemittelten Saison in der PhänoSphäre und eines Anbaus im Gewächshaus verglichen. Dabei zeigte sich, dass das Wachstumsverhalten in der PhänoSphäre der Entwicklung der Pflanzen auf dem Feld sehr nahe kam.Für die Grundlagen-, aber auch die anwendungsorientierte Forschung ist es erforderlich, Nutzpflanzen in reproduzierbarer Weise feldähnlichen Bedingungen auszusetzen. „Mit der PhänoSphäre können wir der Pflanzenforschung eine neue Infrastruktur am IPK anbieten, in der nicht nur die Reaktionen der Pflanze auf verschiedene, variable Umweltbedingungen untersucht, sondern auch verschiedene Wetterszenarien für eine gesamte Saison durchgespielt werden können“, sagt Prof. Dr. Thomas Altmann, Leiter der Abteilung „Molekulare Genetik“ am IPK. Die PhänoSphäre ermöglicht detaillierte Analysen der leistungsbezogenen Merkmalsausprägung und der kausalen biologischen Mechanismen in Beständen von Pflanzen, die denen in Testparzellen bei Feldversuchen sehr ähneln, hier jedoch unter genau vorgegebenen Umweltbedingungen wachsen. Dies gilt nicht nur für aktuelle Witterungsbedingungen, sondern auch für Situationen künftiger Klimaszenarien - etwa mit größerer Trockenheit, höheren Temperaturen und gesteigerter CO2-Konzentration.
Die technische Aussstattung bietet dabei völlig neue Möglichkeiten im Vergleich zu den üblichen, bisher genutzten Wachstumskammern und Gewächshäusern. So können in der PhänoSphäre Temperaturprofile mit stündlichen Änderungen erstellt sowie Lichtqualität und -menge im Minuten- bis Sekundenbereich reguliert werden. Auch die Bewölkung kann über die ausgeklügelte Lichtanlage simuliert werden. Außerdem erlaubt es die Anlage, Windgeschwindigkeit und -richtung zu verändern und den atmosphärischen CO2-Gehalt zu variieren. Die Pflanzen können täglich automatisch bewässert werden, und die großen Anzuchtcontainer ermöglichen die Verwendung verschiedener Bodentypen und -zusammensetzungen. Zudem kann die Bodentemperatur reguliert werden. „Dies wird in Zukunft systembiologische Analysen unterstützen, die durchgeführt werden, um die molekularen Mechanismen aufzuklären, die der Ausprägung agronomisch relevanter Merkmale, wie der Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Umweltbedingungen, zugrunde liegen. Zudem können Hypothesen überprüft werden, die aus bioinformatischen Untersuchungen, wie Netzwerkanalysen oder Modellierungen, abgeleitet wurden“, sagt Prof. Dr. Thomas Altmann.
Die ersten Ergebnisse aus der PhänoSphäre sind vielversprechend. Die Simulation einer einzelnen Maisanbausaison und die Verwendung der großen Anzuchtcontainer führte zu vergleichbarem Pflanzenwachstum und Entwicklungsverläufen wie bei den Pflanzen aus der Vorlagesaison auf dem Feld. „Der Mais im Feldanbau und die Pflanzen im Experiment benötigten die gleiche Zeit, um die maximale Wachstumsgeschwindigkeit, die Reife der Blätter und den Austrieb zu erreichen“, sagt Dr. Marc Heuermann, Erstautor der Studie, die jetzt in der Zeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht wurde.
„Die Übereinstimmung zwischen der Wettersimulation und der Außenumgebung in Bezug auf Temperatur, thermisch normalisierter Zeit und Wasserdampfdruckdifferenz war am höchsten, wenn reale Tage als Vorlage für die einjährige Simulation verwendet wurden“, erklärt Dr. Marc Heuermann. Diese Simulation brachte bessere, also dem Feld viel ähnlichere Ergebnisse als der Anbau im Gewächshaus und die gemittelte Saison in der PhänoSphäre.
Damit schließt die PhänoSphäre die Lücke zwischen den bisher etablierten Systemen zur Phänotypisierung unter kontrollierten Umgebungsbedingungen auf der einen und den Feldversuchen zur Phänotypisierung auf der anderen Seite. „Die Möglichkeit, in der dynamischen, aber auch kontrollierten Umgebung ein feldähnliches Wachstum und eine feldähnliche Entwicklung auszulösen, ist ein sehr wesentlicher und wichtiger Fortschritt und geht weit über die bisherigen Verbesserungen beim Anbau in standardmäßig klimatisierten Gewächshäusern hinaus“, sagt Prof. Dr. Thomas Altmann.
Die Simulationsprogramme können nun auch weiterentwickelt und für die Untersuchung von Ertragsstabiltät und Widerstandsfähigkeit wichtiger Kulturpflanzen mit Hinblick auf den Klimawandel verwendet werden.
altmann@ipk-gatersleben.de
Originalpublikation:
Heuermann et al. (2023): Natural plant growth and development achieved in the IPK PhenoSphere by dynamic environment simulation. Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-41332-4
IPK’s PhenoSphere brings functional plant science much closer to real field environments
In research of molecular mechanisms in plants, the suboptimal match of growing conditions hampers the transfer of knowledge gained in controlled environments in glasshouses or climate chambers to field environments. The PhenoSphere, a unique plant cultivation facility at IPK Leibniz Institute designed to simulate field-like environments in a reproducible manner, enables scientists to overcome these limitations. In a first step, IPK researchers compared the effects on plant growth of weather conditions of a single maize growing season and of an averaged season over three years to those of a glasshouse and of four years of field trials. And indeed, in the single season simulation growth and development progression are very similar to that observed in the field. The results have been published in the journal “Nature Communications”.
For fundamental and for application-oriented research there is a need to expose crop plants to relevant field-like conditions in a reproducible manner. “We present IPK’s PhenoSphere to the plant science community as a novel tool to study the plant’s response to variation in weather variables and other environmental conditions”, says Prof. Dr. Thomas Altmann, head of IPK’s department “Molecular Genetics”. The PhenoSphere enables detailed analyses of performance-related trait expression and causal biological mechanisms in plant populations exposed to weather conditions of current and anticipated future climate scenarios - such as greater drought, higher temperatures and increased CO2 concentration.
Its technical capabilities overcome several limitations of typical growth chambers and glasshouses. Here, deliberate temperature profiles can be realized with an hourly resolution, light quality and quantity can be manipulated on a minute resolution scale. Clouds can also be simulated via the sophisticated lighting system as well as wind speed and direction can be changed on the sub-hour scale, atmospheric CO2 levels can be increased. Water and fertilization can be automatically applied daily, and the large- volume containers allow the use of different soil types and compositions and the modulation of the soil temperature. “This will support systems biology analyzes carried out to elucidate molecular mechanisms underlying the expression of agronomically relevant traits. It furthermore enables testing hypotheses derived from different approaches such as network analysis and modelling”, says Prof. Dr. Thomas Altmann.
The first results are very promising. Simulating a single maize growing season within the PhenoSphere and using large-volume soil containers resulted in plant growth and development progression that matched the rates that the same population exhibited upon cultivation in the corresponding field season. “Field grown plants and plants inside the experiment required the same amount of time to reach peak growth speed, maturity of leaves, and tasselling” says Dr. Marc Heuermann, first author of the study. “The correlation between the weather simulation and the outdoor environment concerning temperature, thermal time, and VPD profiles over the cultivation periods was highest when using real days as templates in the single season simulation“, explains Dr. Marc Heuermann. And in any case the single season simulation proved superior to the glasshouse and the averaged season in the PhenoSphere.
The PhenoSphere thus fills the gap between hitherto established controlled-environment phenotyping systems and field phenotyping trials. “The ability of eliciting field-like growth and development in the dynamic but controlled environment of the PhenoSphere is a very substantial and important advance and goes far beyond previous improvements in standard climatized glasshouses cultivation procedures”, says Prof. Dr. Thomas Altmann. The optimized and validated field-like environment simulation programs can now be used
to perform also (seed) yield trials, which require a specific experimental setup and designs fundamentally different from the benchmarking experiments of this study.
Original publication:
Heuermann et al. (2023): Natural plant growth and development achieved in the IPK PhenoSphere by dynamic environment simulation. Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-41332-4
Topics
Species
