Achtung, Aufnahme!

Imaging-Technologien

Wie hoch ist die zu erwartende Ernte? Mit welchen Getreidesorten und welchen Pflanzenschutz-Wirkstoffen lässt sich welche Ausbeute erzielen? Wie wirkt sich andauernde Trockenheit aus? Neue digitale Imaging-Technologien können einen wertvollen Beitrag leisten, damit die Antwort darauf präziser und detaillierter ausfällt

Die mobile Bildverarbeitung auf einem Smartphone eröffnet den Forschern vielfältige neue Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten. Die Voraussetzungen dafür wurden auf die Bedürfnisse von CropScience zugeschnitten.

Wie stellt man sich ein Gewächshaus vor? Viel Glas, viel Licht und lauter gut gedeihende Pflanzen? „Sehen Sie“, sagt Dr. Gitta Erdmann, „und genau deshalb ist Gewächshaus auch ein völlig unzureichender Begriff für das, was Bayer hier in Frankfurt betreibt.“ Richtiger wäre da schon Klimakammer. Oder noch ein bisschen zeitgemäßer: Crop Performance Lab (CPL).

Hier ist nichts dem Zufall überlassen – alles wird genau gemessen und digitalisiert. Sämtliche Pflanzen wachsen unter vorgegebenen, kontrollierten Umgebungsverhältnissen auf. So können im Crop Performance Lab verschiedene Klimazonen simuliert werden. Den Hintergrund erläutert Erdmann, die in der Division Crop Science die Gruppe Crop Efficiency Biology leitet, zu der auch das CPL gehört: „Im Crop Performance Lab geht es um neue technologische Möglichkeiten, damit wir Wirkstoffe besser analysieren und somit am Ende Erträge auch bei störenden Umwelteinflüssen optimal absichern können.“ Entsprechende Effekte können – selbst wenn sie nur sehr schwach sind – unter den kontrollierten Bedingungen im CPL sichtbar gemacht werden. Ersetzen kann das Crop Performance Lab Feldversuche allerdings nicht. Sie bleiben ein unverzichtbares Instrument. Doch die Tests im Freiland sind zeitaufwendig und teuer. Um zu beurteilen, ob eine Behandlung erfolgreich war, bleibt den Fachleuten oft nur der Ertrag als Indikator. Konkret heißt das: Man muss stets eine Wachstumsperiode abwarten.

„Der Gesundheitszustand einer Pflanze lässt sich mit digitalen Technologien sehr präzise einschätzen“

Dr. Gitta Erdmann

Crop Efficiency Biology, Crop Science

Der große Vorteil der Frankfurter Klimakammer gegenüber dem Feld: Hier können problemlos auch im Winter Experimente und Tests durchgeführt werden – und auch die Ernte ist im Crop Performance Lab nicht an die tatsächliche Jahreszeit gebunden. Mit Hilfe dieser Technologie lässt sich sehr schnell erkennen, ob ein Wirkstoff, eine Züchtung oder eine Saatgutbehandlung Potenzial besitzt oder nicht.

Für die weiteren Tests auf dem Feld wird dann nur noch auf die aussichtsreichsten Kandidaten aus dem CPL zurückgegriffen.

Ein neues Element für die frühe Beurteilung der Pflanzen bilden moderne digitale Sensorik- und Bildverarbeitungssysteme. Damit werden Aufnahmen von den Pflanzen angefertigt, die wiederum detailliert und automatisiert ausgewertet werden.

Mit diesen digitalen Technologien lassen sich unterschiedlichste Parameter ableiten, an denen die Fachleute den Zustand einer Pflanze präzise einschätzen können: Wie groß ist die Pflanze? Welchen Grünanteil weist sie auf? Welche Stressfaktoren sind sichtbar? Welche Metaboliten haben sich an der Oberfläche angesammelt? Wie ist der Wasserhaushalt? Und wie funktioniert der Wärmetransport? Das heißt: Gemessen wird alles, was das Erscheinungsbild einer Pflanze beschreibt. Fachleute nennen dies Phänotypisierung.

Mit Hilfe der Technologien zur Phänotypisierung lassen sich Pflanzen detaillierter und präziser in ihrer Entwicklung charakterisieren. So lässt sich noch besser beurteilen, wie gut die Behandlung mit einem bestimmten Wirkstoff anschlägt. Oder ob der Zeitpunkt einer Behandlung tatsächlich optimal war.

Dr. Nina Schwalb und Benjamin Kolb
Dr. Nina Schwalb und Benjamin Kolb sind Experten für das Thema Bio-Imaging. Mit Hilfe digitaler Technologien leiten sie unterschiedlichste Parameter ab, mit denen der Zustand einer Pflanze präzise
eingeschätzt werden kann

Dr. Nina Schwalb, langjährige Leiterin der Bio-Imaging-Gruppe bei Bayer Technology Services, zieht das Fazit: „Wachstum und Entwicklung von Pflanzen lassen sich mit den neuen Technologien wesentlich objektiver und systematischer beobachten als zuvor.“ Selbstverständlich muss nicht jede Pflanze einzeln aufgenommen und beurteilt werden. Im CPL läuft alles vollautomatisch ab. Auch die Bildaufnahme. Und dafür wird der gesamte Spektralbereich genutzt. Zum Beispiel sichtbares oder ultraviolettes Licht oder auch Infrarotlicht.

Diese Verfahren ermöglichen ein umfassendes Bild über das Wachstum und die Gesundheit von Pflanzen. Aber da die Bewertung solcher Merkmale der subjektiven Wahrnehmung unterliegt, spielen automatisierte Bildanalysen, die eine Vielzahl von Parametern miteinander vergleichen und auswerten, eine entscheidende Rolle. „Voraussetzung für eine genaue Beurteilung der Pflanzen ist aber immer, dass alle notwendigen Informationen in den digitalen Bildern auch tatsächlich enthalten sind“, erläutert Schwalb die konkrete Herausforderung. Und vor allem: „Diese Informationen müssen anschließend auch verfügbar gemacht werden.“ Und hier kommt erneut die Expertise von Bayer Technology Services zum Tragen. Schwalb: „Wir sorgen dafür, dass die digitalen Informationen ausgewertet und nutzbar gemacht werden.“ Konkret werden zu jeder einzelnen Pflanze digitale Datensätze geliefert, um diese auszuwerten und übergreifende Korrelationen zu finden. So lässt sich erkennen, welche Ansätze weiterverfolgt werden sollten.

„Für die Forschung und Entwicklung bei Bayer schaffen wirindividuelle technologische Lösungen, die ausgereift und robust füreinen nachhaltigen und problemlosen Einsatz in der Industrie sind“

Dr. Ingo Gaida

Leiter Enabling Technologies, Bayer Technology Services

Vom Labor aufs Feld

Bildgebende Methoden werden nicht nur unter den kontrollierten Bedingungen einer Klimakammer eingesetzt, sondern auch auf dem Feld. Dazu hat Bayer Technology Services ein Multisensor-System mit hochauflösender Kamera, Spektrometer und Laserscanner entwickelt. Das System erfasst Anzahl, Größe und Zustand der Pflanzen und wertet die Ergebnisse systematisch aus. Insbesondere sind damit genaue Aussagen über die Pflanzen in einzelnen Entwicklungsstadien möglich.

Betreut, optimiert und weiterentwickelt werden entsprechende Screening- und Analysesysteme für die Phänotypisierung von Bayer Technology Services. Damit wird der Bereich seinem Anspruch gerecht, technologische Lösungen zu entwickeln, die die Bayer-Unternehmensbereiche in ihrer Forschung und Entwicklung einsetzen. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass Technologien auf die individuellen Bedürfnisse der unterschiedlichen Partner zugeschnitten werden. Das heißt auch, dass diese Lösungen über die Reife und Robustheit verfügen, die einen problemlosen und nachhaltigen Einsatz in der Industrie gewährleisten.

In Frankfurt zeigt Benjamin Kolb, wie dieser Anspruch im Crop Performance Lab umgesetzt wird. Kolb beschäftigt sich tagtäglich mit der Phänotypisierung mit Hilfe digitaler Bilder. Bereits während des Studiums hatte sich der Ingenieur auf Automatisierungstechnik und Bildbearbeitung konzentriert. Seine Expertise kommt heute vorrangig der Forschung und Entwicklung bei Crop Science zugute: „Hier in Frankfurt arbeite ich sehr eng mit der biologischen Forschung zusammen. Aber die Ergebnisse gehen auch weiter an die chemische Forschung, wo die untersuchten Moleküle dann optimiert und weiterentwickelt werden.“ 

Bereits während des Studiums hatte sich der Ingenieur auf Automatisierungstechnik und Bildbearbeitung konzentriert. Seine Expertise kommt heute vorrangig der Forschung und Entwicklung bei Crop Science zugute: „Hier in Frankfurt arbeite ich sehr eng mit der biologischen Forschung zusammen. Aber die Ergebnisse gehen auch weiter an die chemische Forschung, wo die untersuchten Moleküle dann optimiert und weiterentwickelt werden.“ 

Die intelligente Bildverarbeitung
Wie groß ist die Pflanze? Welchen Grünanteil weist sie auf? Welche Stressfaktoren sind sichtbar? Welche Metaboliten haben sich an der Oberfläche angesammelt? Wie ist der Wasserhaushalt? Und wie funktioniert der Wärmetransport? Die intelligente Bildverarbeitung extrahiert Parameter, die den Zustand der Pflanze sichtbar machen und so den Forschern entsprechende Rückschlüsse auf die Pflanzenperformance erlauben

Doch zuvor müssen erst einmal die umfangreichen Daten aus den Experimenten ausgewertet werden. Kolb: „Wir bereiten die gesammelten Daten systematisch auf und machen sie damit für die Kollegen von Crop Science nutzbar.“ In der Vergangenheit musste man sich dazu sehr viel mehr auf die vorhandene Wirkstoffbibliothek stützen. Doch die Anzahl der dort gespeicherten potenziellen Kandidaten ist nur noch in Millionen zu zählen.

Wollte man die alle einem Versuch unter freiem Himmel samt entsprechenden Wiederholungen unterziehen, „müsste schon weit mehr als der halbe Erdball als Versuchsfeld zur Verfügung stehen“, wie Nina Schwalb bemerkt. Sie hat keinen Zweifel daran, dass Bedeutung und Möglichkeiten der Phänotypisierung ständig weiter zunehmen werden.

Benjamin Kolb pflichtet ihr bei: „Die Entwicklung ist rasant. Durch neue Imaging-Technologien und Sensoren, einen höheren Automatisierungsgrad, größere Datenmengen sowie eine noch bessere Vernetzung werden wir in Zukunft deutlich mehr Möglichkeiten in der Forschung und Entwicklung haben und so noch wertvollere Beiträge und Ergebnisse liefern können.“

Und Dr. Ingo Gaida, bei Bayer Technology Services Leiter Enabling Technologies, ergänzt: „Die Zusammenarbeit in Frankfurt ist ein exzellentes Beispiel dafür, wie es gelingt, neue digitale Technologielösungen an die industriellen Anforderungen anzupassen und dabei voll integriert mit den Forschungsstandorten zusammenzuarbeiten.“

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