Mit dem Scanner in die Terra incognita: Wie schaut man Wurzeln beim Wachsen zu?

Im Feld: Benjamin Gruber bereitet den Scanner zum Erfassen des Wurzelwerks im Untergrund vor.

Wie schaut man den Wurzeln einer Zuckerrübe in 1,50 Metern Tiefe beim Wachsen zu? Ganz einfach. Nötig sind nur ein riesiger Bohrer, lange Plexiglasröhren, ein Spezialscanner, viel Software zur Bilderkennung – und ein gut eingespieltes KWS Forscherteam.

Wahrscheinlich ist die Tiefsee besser erforscht als das fein verzweigte Wurzelwerk von Pflanzen im Untergrund des Ackers. Dabei sind es die Wurzeln, die darüber entscheiden, wie gut Mais, Rüben oder andere Pflanzen Wasser oder Nährstoffe aus der Erde aufnehmen. Und damit auch ein Stück weit, wie stark der Landwirt bewässern oder düngen muss. Daher sind Wurzeln für die Züchtung trockentoleranter oder stickstoffeffizienter neuer Pflanzensorten ein bedeutender Faktor.

Wie gut kommen die Pflanzen mit Stress zurecht?

Zusammen mit seinen Kollegen klärt der Australier Benjamin Gruber in der Forschungsabteilung von KWS die Frage, wie sich das Wurzelwachstum beobachten, beurteilen und quantifizieren lässt. Sein Ziel ist es, hunderte Pflanzen in kurzer Zeit daraufhin zu prüfen, wie gut sie mit abiotischem Stress wie Trockenheit oder Nährstoffmangel zurechtkommen. Das ist eine der Voraussetzungen dafür, um in den Pflanzen neue Gene zu identifizieren, die für stabile Erträge und Trockentoleranz sorgen. Beides sind wesentliche Züchtungsziele von KWS.

Wurzeln und ihr Wachstum detailliert zu beobachten ist keinesfalls trivial: Unter einem Quadratmeter Getreideacker befinden sich oft 50 bis 90 Kilometer Wurzelwerk (bei Mais sind es rund 40 bis 60 Kilometer, bei Zuckerrübe 20 bis 50 Kilometer). Wurzeln von Zuckerrüben ragen bis zu fünf Meter tief in die Erde. Die feinsten Wurzelhaare sind durchweg dünner als ein menschliches Haar. Wie soll man sich ein genaues Bild davon machen?

Graben, spülen und vermessen

Ein bei Mais erprobter Ansatz folgt dem vergleichsweise einfachen, sogenannten „Shovelomics“-Ansatz: Die Pflanze mit der Wurzel daran wird bei dieser „Schaufel-Forschung“ schlicht ausgegraben und die Erde gründlich abgespült. Danach lässt sich die Wurzel mit Kameras und Software optisch vermessen. Aus vielen Bildern errechnen Spezialisten für Bildauswertung und Bioinformatiker dann Zahl und Dicke der Wurzeln oder ihren Winkel relativ zum Stamm der Pflanze.

In die Tiefe: Der Scanner verschwindet unter dem Feld.

In die Tiefe: Der Scanner verschwindet unter dem Feld.

Auch Angaben zur Verzweigung der Haupt- und Nebenwurzeln und viele weitere Merkmale werden erfasst. „Mit einer oder nur wenigen Pflanzen ließe sich das auch per Augenschein erledigen. Aber um ein wirksames Werkzeug für die Pflanzenzüchtung zu schaffen, müssen wir hunderte oder tausende Wurzeln erfassen. Das ist nur digital und automatisiert zu schaffen“, sagt Gruber. Beim Vermessen der Wurzelkrone arbeitet sein Team mit dem Forschungszentrum Jülich zusammen. Das ist nicht die einzige Kooperation: KWS kooperiert international mit vielen Partnern. Dazu gehören Universitäten, andere Institute oder auch Unternehmen.

Bilder aus der Tiefe

Nach dieser Art des Forschens mit der Schaufel in der Hand, ist die untersuchte Pflanze allerdings nicht mehr zu gebrauchen. Sehr viel besser wäre das fortlaufende Beobachten unter realen Bedingungen auf, respektive im Feld. Dafür lässt Gruber mit einem Spezialbohrer Löcher in den Grund von Rübenparzellen bohren. Anschließend steckt er durchsichtige Röhren in die Erde. Durch sie hindurch kann ein spezieller Scanner die wachsenden Wurzeln abfotografieren. Wer im Abstand von Tagen oder Wochen scannt, erhält ein fortlaufendes Bild aus der Tiefe.

Was einfach klingt, hat viele Versuche, Varianten und Veränderungen zur Grundlage. Die Mitarbeiter der KWS Werkstatt sind es gewöhnt, dass Gruber häufig mit Spezialaufträgen zu ihnen kommt. Und überhaupt, alleine käme er nicht weit, sagt der Biotechnologe. Feldarbeiter helfen beim Bohren der Löcher. Mehrere Züchter geben Hinweise auf gewünschte Merkmale und gesuchte Eigenschaften der Pflanzen. Die Bilderkennungsspezialisten von KWS tragen ihren Teil zum Erkennen des Wurzelsystems bei. Moderne Pflanzenzüchtung wird nur im Zusammenspiel vieler Experten möglich.

  • Menschen bei KWS

    Das Erforschen der Wurzeln eröffnet uns Pflanzenzüchtern riesiges Potenzial.

    Benjamin Gruber, Wurzelforscher
    kws_wurzelforscher_benjamin_gruber_portrait_auf_dem_feld.jpg

„KWS schafft derzeit einen neuen Werkzeugkasten, um das Wurzelwachstum in großem Maßstab zu erfassen. Dafür testen wir neue Verfahren und verfeinern, was sich bewährt. Später müssen wir verstehen, welche Pflanze mit welcher genetischen Ausstattung in welchem Boden bei welcher Nährstoff- und Wasserversorgung wie wächst“, sagt Gruber. Das alles kostet Zeit und Geld. Beides sind Investitionen in die Zukunft eines Unternehmens, das seit mehr als 160 Jahren besteht und den Landwirten auch künftig ertragreiche Sorten anbietet. Rund 17 Prozent des Umsatzes gibt die bis heute familiengeprägte KWS für ihre Forschung aus.

Züchtung braucht genaues Beobachten

Das genaue Beobachten von Pflanzeneigenschaften, um daraus Hinweise für die Züchtung abzulesen, ist so alt wie der Ackerbau selbst. Die ersten Bauern zum Beispiel säten im nächsten Jahr die dicksten Körner des Vorjahres aus. Gregor Mendel beobachtete Farbe und Form von Erbsen, um anhand der Ergebnisse seine Vererbungsregeln aufzustellen. Mit Blick auf die sicht- und messbaren Eigenschaften von Pflanzen sprechen Biologen vom Phänotyp.

Das Vorgehen von Ben Gruber ähnelt weiteren Phänotypisierungsprojekten bei KWS. Forschungsexperten von KWS erfassen Daten in der Umwelt, sei es mit drohnenbasierten Kameras oder unterirdischen Scannern. Die Bilder werden am Rechner zusammengefügt und automatisch analysiert, um den Züchtern neue Hinweise zu geben. „Das alles muss im industriellen Maßstab funktionieren, bei Wind und Regen, im Matsch und bei Trockenheit – nicht nur im Labor oder bei 20 Pflanzen. Pflanzenzüchtung ist immer eine Frage großer Zahlen, dafür müssen tausende Pflanzen ausgewertet werden“, sagt Gruber, bevor er sich wieder der statistischen Analyse seiner Daten zuwendet.

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