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Mit künstlicher Intelligenz Wurzeln messen

Ein Hintergrundbericht und ein Anwendungsbeispiel

19.09.2022

Wie kann gemessen werden, was auf den ersten Blick nicht zu sehen ist?
Das Wurzelwachstum von Kulturpflanzen zu kennen und dieses Wissen zu nutzen, ist das Ziel verschiedener Kollegen bei KWS. Im folgenden lesen Sie zwei Artikel zu diesem Thema.

Mit künstlicher Intelligenz Wurzeln messen

Benjamin Gruber; Senior Scientist Yield Traits

Haben Sie sich jemals gefragt, was genau unter Ihren Füßen wächst, wenn Sie über ein Feld gehen? Sind die Wurzeln gesund und gut vorbereitet für die nächste Trockenperiode, wenn diese noch tiefer wachsen müssen, um an wertvolles Wasser zukommen? Wie tief wurzeln sie? Könnte es sein, dass sich zu viele Wurzeln gebildet haben? Kann man überhaupt Wurzeln messen?

Diese Fragen beschäftigen die Wissenschaftler und Züchter bei KWS vielleicht schon seit Jahrzehnten. Die moderne Technik hilft, jetzt Antworten zu finden. Wir können während der gesamten Vegetationsperiode die Länge der Wurzeln in verschiedenen Tiefen des Bodenprofils messen. Das hilft uns zum Beispiel zu verstehen, wie KWS Genotypen auf Stressfaktoren wie Nährstoffmangel oder Trockenheit reagieren.

Wurzelmessung im Versuchsfeld mit Hilfe von Minirhizotronen (links) / Zuckerrübenwurzeln im Feld in der Nähe von Einbeck in einer Tiefe von 50 cm. Die Anzahl an Seitenwurzeln und Wurzelhaaren ist entscheidend für den Zugang der Pflanze zu Wasser und Nährstoffen (rechts)

Ein solches Instrument zur Messung von Wurzeln direkt auf dem Feld sind Minirhizotronen. Sie wurden erstmals in den 1930er Jahren entwickelt, erfordern aber seitdem einen enormen Arbeitsaufwand. Dadurch ist ihr Einsatz in der Agrarforschung eingeschränkt.
Wurzelforscher haben sich an andere Industrien gewandt und deren Geräte so angepasst, dass sie daraus neuartige Hard- und Softwareentwickeln konnten, die wiederum für die Anwendung der Wurzelmessungs-Methode im industriellen Maßstab erforderlich ist. Heute hat KWS eine der wenigen Forschungsgruppen weltweit, die diese Methode in dem für Züchtungszwecke erforderlichen Maße einsetzt.

Mit Bohrgeräten, wie sie häufig zum Bohren von Brunnen verwendet werden, werden Löcher auf dem Feld vorbereitet. In diese Löcher werden durchsichtige Röhren bis zu einer Tiefe von 1,5 Metern eingesetzt - tief genug, um das gesamte Wurzelsystem von Getreide oder Mais zu beobachten.
Durch diese Rohre werden Scanner geführt, die Bilder von den Wurzeln machen, die außen herumwachsen, so, als ob sie gerade auf einen Stein gestoßen wären. Dieselben Pflanzen können nun während der gesamten Vegetationsperiode wiederholt vermessen werden. Das gibt uns Aufschluss darüber, wie sich ihre Wurzeln im Laufe der Zeit entwickeln.
Die große Sammlung von Bildern, die im Laufe der Saison aufgenommen werden, wird in Zahlen umgewandelt, die die Wissenschaftler, Züchter und Landwirte interpretieren können. Dies geschieht durch eine geschickte Kombination aus modernster Bildanalyse, Statistik und künstlicher Intelligenz.

Heute können wir viele Fragen unserer Kollegen aus Forschung und Entwicklung bei KWS beantworten. Aber wir haben mit dieser Technologie auch neue Fragen aufgeworfen.

Wurzelwachstum im Zeitraffer

Schauen Sie sich online ein Zeitraffervideo an – dann können auch Sie sehen, wie dynamisch unsere Böden sind!

Zuckerrüben Wurzeln im Feld in der Nähe von Einbeck in einer Tiefe von 50 cm. Die Anzahl an Seitenwurzeln und Wurzelhaaren ist entscheidend für den Zugang der Pflanze zu Wasser und Nährstoffen.

Autor:

Benjamin Gruber
Senior Scientist Yield Traits

Ein Blick von unten

Hybridroggenwurzel-Messung im Beizversuch

Dirk Niemann, Manager Seed Technology

Die Zusatzbeize INITIO stärkt den Roggen und macht ihn robuster. Der Effekt von Beizen auf oberirdisches Wachstum kann sehr gut mit neuen Methoden gemessen werden. Doch wie sieht es unterirdisch aus? Daher haben wir die neue KWS Wurzelmessmethode mit Minirhizotronen erstmalig beim Hybridroggen angewendet.

Innovative Messmethoden

Um die Wirkung von neuen Zusatzbeizen auf die Etablierung zu messen, werden moderne Technologien wie zum Beispiel Drohnen verwendet. Diese messen präzise die Jugendentwicklung anhand der Biomasse zuwächse der Pflanzen in Feldversuchen. Um das Wurzelwachstum zu bestimmen, wurden bis vor Kurzem Labormethoden genutzt. Mit dem neuen KWS Verfahren wird jetzt auch unterirdisch direkt im Feld über längere Zeit hinweg das Wurzelwachstum messen. Im Herbst 2021 wurde diese Wurzelmessmethode erstmalig im Feldversuch mit Hybridroggen eingesetzt und für die Bewertung des Effekts der Zusatzbeize INITIO am Standort Wohlde genutzt.

Schnelles Wurzelwachstum

Die ersten Erkenntnisse sind spannend. Beispielsweise erreichten die Hybridroggenwurzeln, je nach Beizvariante bereits nach drei Wochen eine Tiefe von 35 cm und mehr im Boden. Im März wurden schon Wurzeltiefen von 1 m und mehr erreicht. Dies belegt erneut das erstklassige und schnelle Wurzelwachstum des Hybridroggens. Zudem konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Beizausstattungen zu Unterschieden bei der Wurzelentwicklung führen.

Vorteil durch INITIO

Um die Ergebnisse vergleichbar zu machen, war die fungizide Beizausstattung aller Varianten standardisiert. Im Vergleich zur Kontrolle zeigt die Variante mit der Zusatzausstattung INITIO bei der ersten Messung im Bereich zwischen 15 und 35 cm Bodentiefe eine ca. 10 % bessere Durchwurzelung bzw. höhere Wurzelmasse. 4 Wochen später, in der ersten Dezemberwoche, haben die Wurzeln bereits eineTiefe von etwa 60 cm erreicht. Insbesondere in der Tiefe zwischen 20 und 40 cm zeigt hier die mit INITIO gebeizte Variante eine um ca. 20 % bessere Durchwurzelung. Im März haben die Wurzeln bereits die Messtiefe von 1 m überschritten. Die INITIO Variante zeigt hier besonders im Bereich von 90 bis 100 cm einen Vorteil gegenüber der Kontrolle.

Grafik: Starke Wurzelleistung

Fazit

Die neue Methode zur Erfassung der Wurzeltiefe und Bodendurchwurzelung gibt erstmalig reale Einblicke von „unten“ und hilft Zusatzbeizen bezüglich ihrer Wirkung auf ein verbessertes Wurzelwachstum zu bewerten. Die INITIO Beize erhöht das ohnehin gute Wurzelwachstum des Hybridroggens. In der Etablierungsphase wird das Wurzelsystem schneller entwickelt und tiefere Bodenschichten erschlossen. Das Nährstoffaufnahme-Vermögen der Pflanze wird erhöht und vermindert zugleich die Stressanfälligkeit, die beispielsweise durch Wassermangel entstehen kann. INITIO ist damit eine interessante Lösung, um die Bestandesdichte abzusichern und Ihre Bestände noch robuster zu machen.