Hitze, Dürre und neue Krankheiten: Die Herausforderungen des Klimawandels sind groß – auch für die Pflanzen, die uns ernähren.

Und nicht nur das: Weltweit müssen auch Nahrungsmittel für immer mehr Menschen produziert werden. Und zwar nachhaltig und umweltschonend.

Doch wie kann das alles gelingen? Und welchen Beitrag kann die Pflanzenforschung leisten?















































Das Rhizotron-System



In speziellen Kassetten – den Rhizotronen – kann das Wachstum von Wurzeln beobachtet werden. Insgesamt 360 dieser Kassetten ermöglichen Einblicke in die "hidden half", den verborgenen, unterirdischen Teil der Pflanzen.

In den nur fünf Zentimeter breiten Kästen wachsen die Wurzeln an einer durchsichtigen, jedoch vom Licht abgeschotteten Scheibe entlang. Die Rhizotrone werden über die gesamte Wachstumsperiode hinweg automatisch von zwei Bildaufnahmetürmen eingezogen und in diesen werden die Pflanzen mit ihren Wurzeln nicht nur mit hochmodernen und hochauflösenden Kameras fotografiert, sondern auch mit Wasser und Nährstoffen versorgt.

So gewinnen die Forscherinnen und Forscher wichtige Erkenntnisse über das, was sonst im Boden verborgen bleibt: Aus den in der Regel täglich aufgenommenen Bildern werden Wurzelmerkmale wie Länge und Dicke, Anzahl und Anordnung der Verzweigungen sowie die Orientierung der einzelnen Teile abgeleitet.











































Das Container-System

In bis zu 108 Containern (je 1 m³ Volumen) wachsen Pflanzen in Beständen wie in kleinen Versuchsparzellen im Freiland. In diesem Teil der PhänoSphäre können die Umweltbedingungen besonders variabel und umfangreich eingestellt werden. So lassen sich nicht nur die Bodentemperatur und der Wassergehalt in den Gefäßen regulieren, sondern auch die Zusammensetzung und Struktur des 1 Meter mächtigen Bodens variieren. Die Erfassung der Pflanzenmerkmale erfolgt von oben über ein PhenoCrane-System mit verschiedenen Kameras und Sensoren.

Die Schichtung des Bodens in den Containern entspricht der Realität im Feld – Humusschicht gefolgt von Löss, Sand und Kies sowie einer Drainage. Auch die Bodentemperatur kann gesteuert und natürliche Temperaturgradienten erzeugt werden. Die Wasserzufuhr erfolgt kontrolliert über Tröpfchenbewässerung. Geplant sind auch Systeme zur Erfassung des Wurzelwachstums in den Containern, z.B. durch Kameras in Kunststoffrohren.























































Der „PhenoCrane“

Die Pflanzenmerkmale – der Phänotyp – werden im Containersystem mit dem „PhenoCrane“ erfasst. Dabei handelt es sich um eine in drei Achsen verfahrbare, automatisierte Aufnahmeplattform, die jeden Container anfahren kann. Sie ist mit RGB-Kameras, einem 3D- und einem Hyperspektralscanner sowie einem bildgebenden System zur Erfassung der Kinetik der Chlorophyllfluoreszenz zur dynamischen Messung der Photosynthese ausgestattet.

























































Die Beleuchtung

Mit der Beleuchtung können verschiedene Wetterszenarien durchgespielt werden. Sonnenauf- und -untergänge, aber auch die wechselnden Lichtverhältnisse bei Wolken am Himmel können simuliert werden. Ein Mix aus Entladungslampen, sechs verschiedenfarbigen LED-Typen (kaltweiß, dunkelblau, blau, cyan, rot und tiefrot) sowie UV(A)-Röhren deckt das Lichtspektrum ab 350 nm ab. Zur gleichmäßigen Ausleuchtung der Abteile sind die Seitenwände verspiegelt.











































Der Wind

Im Containersystem der PhänoSphäre kann aber auch Wind simuliert und die damit verbundene Bewegung der Pflanzen ausgelöst werden. In jedem der beiden Abteile der Containeranlage befinden sich dazu zehn Ventilatoren, fünf auf jeder Seite. Sie können die Luft abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen blasen.

















































Automatisierung vs. Handarbeit

Modernste Kamerasysteme, automatisierte Abläufe - und doch ist auch harte Handarbeit für den Betrieb der PhänoSphäre notwendig. Zum Beispiel bei der Vorbereitung der Versuche in den Rhizotronen. Mehr als eine Woche dauert es, bis alle 360 Wurzelkästen mit Erde gefüllt sind. In jedes Rhizotron kommen zehn Kilogramm. Die Erde muss in die schmale Öffnung zwischen den beiden Scheiben gefüllt werden. Gefüllt wiegt ein Rhizotron dann 20 Kilogramm. Bis zu 1,5 Tonnen wiegt die in mehreren Schichten eingefüllte Erde pro Container, die in verschiedenen Tiefen mit Bodensensoren versehen ist.

Doch nicht nur beim Befüllen der Rhizotrone und Container ist Handarbeit gefragt. Auch Aussaat bzw. Pflanzung und Ernte erfolgen versuchsspezifisch per Hand.

Wissenschaftliche und technische Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Arbeitsgruppen „Automatisierte Pflanzenphänotypisierung“, „Heterosis“, „Technik“ und „Versuchsfeld und Gärtnerei“ arbeiten hier Hand in Hand.