Herausforderungen in der modernen Pflanzenzüchtung
In der modernen Pflanzenzüchtung werden genetische Informationen mit Felddaten kombiniert. Während die Genomanalyse in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, blieben Innovationen in der Feldphänotypisierung weitgehend aus. Traditionelle Feldbeobachtungen sind arbeits- und zeitintensiv, oft subjektiv und können komplexe Zuchtziele nicht präzise genug erfassen. Um dynamische Prozesse wie die Entwicklung der Ganzpflanzenbiomasse bei Getreide zu messen, waren bisher separate Anbau- und Erntezyklen für jeden Messzeitpunkt erforderlich.
Innovation durch Präzisionsphänotypisierung
Die „BreedVision“-Plattform ermöglicht eine zerstörungsfreie Erfassung des Phänotyps verschiedener Zuchtstämme im Feldversuch. Dafür wurde ein Multifunktions-Geräteträger mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, die sowohl morphologische Daten als auch Informationen zu den Inhaltsstoffen der Pflanzen erheben können. Beispiele hierfür sind Lichtgitter zur Bestimmung von Pflanzenhöhe und -dichte sowie Hyperspektralkameras zur Ermittlung des Trockenmassegehalts über den Feuchtegehalt der Pflanzen.
Weitere Sensortypen umfassen Laserdistanzsensoren, Time-of-flight-Kameras und Multireflex-Ultraschallsensoren. Das Besondere an der Plattform ist die Fusionierung dieser Sensordaten. Komplementäre Informationen werden gemeinsam zur Vorhersage von Zielmerkmalen genutzt. Alle Sensordaten werden mit einem Zeit- und Positionsstempel versehen und in einer Datenbank abgelegt. Diese räumliche und zeitliche Zuordnung der Daten zu einzelnen Pflanzenorganen im Bestand ist in der Feldphänotypisierung einzigartig.
Datenanalyse und genomische Selektion
Zur Interpretation der großen Datenmengen und zur Berücksichtigung von Umwelteinflüssen und Jahreseffekten werden in Kalibrationsexperimenten Algorithmen zur Merkmalsvorhersage etabliert. Dies geschieht nicht nur für Triticale, sondern auch für Weizen und Roggen, um die Plattform zukünftig in weiteren Zuchtprogrammen einsetzen zu können. Ein übergeordnetes Ziel von PredBreed ist es, die Entwicklung eines Zuchtprogramms für Triticale als Energiepflanze zu unterstützen.
Zusätzlich wird das Potenzial der genomischen Selektion zur Vorhersage der Biomasse erforscht. Hierfür bauen die Forscher eine Trainings- und Validierungspopulation mit über 1.000 Bioenergie-Triticale-Zuchtstämmen auf, die hochdicht mit genomweiten molekularen Markern genotypisiert werden. Durch die Kombination dieser Daten mit den von der Phänotypisierungsplattform erhobenen Daten können biometrische Modelle getestet werden. Diese Modelle sollen es ermöglichen, den Zuchtwert der Stämme frühzeitig allein anhand genotypischer Daten zu schätzen.
Die im PredBreed-Projekt entwickelten Methoden der Präzisionsphänotypisierung und der genomischen Selektion bieten ein großes Potenzial für die gezielte Verbesserung der Biomasseleistung von Energietriticale und für den breiten Einsatz in der Pflanzenzüchtung.