Klimatförändringarna skapar stora utmaningar särskilt för växtförädlare. En intelligent fältrobot och röntgenteknik hjälper dem att välja värmetoleranta växtsorter. Sensorerna i den högteknologiska maskinen har utvecklats av Fraunhofer Development Center for X-ray Technology, en avdelning av Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS.

Våra somrar blir varmare. Just i somras upplevde Tyskland en värmebölja med temperaturer på upp till 40 C. Den resulterande torkan drabbade även växter. Med riklig tillgång på vatten kan dessa växter kyla sig själva via avdunstning. De kan dock inte göra detta när de är utsatta för torka. Det är därför som växtförädlare hoppas kunna utveckla värmetoleranta, torkatåliga växter som kan överleva med mindre vatten – och ändå producera en bra avkastning samtidigt som de kräver minsta möjliga mängd gödningsmedel och bekämpningsmedel.

Uppfödarna har fått stöd från forskare vid Fraunhofer EZRT, där det under många år har forskats på teknologier för att bestämma växtfenotyper. Detta hänvisar till deras yttre utseende, vilket inkluderar en mängd faktorer som bladstorlek, bladarrangemang, rottjocklek och avkastning. "Människor har valt grödor baserat på yttre egenskaper i tusentals år", förklarar Dr Stefan Gerth, avdelningschef AMS vid Fraunhofer Development Center for X-ray Technology. "Vi utvecklar teknologier för att objektivt mäta dessa fenotypegenskaper och optimera avel baserat på dessa data."

Användning av 3D-bilder för att förutsäga avkastning

Till exempel har forskargruppen ledd av Dr Gerth utvecklat DeBiFix, en fältrobot för jordbrukstillämpningar. När DeBiFix tar sig igenom tätt packade axen av vete tar den kontinuerligt röntgenbilder av växterna. Samtidigt genererar den 3D-bilder med hjälp av ett optiskt system. Detta är viktig information för uppfödaren som äger fältet som roboten arbetar i – det gör det möjligt för dem att i huvudsak titta in i öronen på vete och avgöra om sorten de odlar kommer att ge en bra avkastning.

Biogent värdeskapande och smart jordbruksprojekt

Det viktigaste målet med det transregionala Fraunhofers smarta jordbruksprojekt är att stödja uppfödare. Fraunhofer Center for Plant Phenotyping Technologies lanseras i Triesdorf, Bayern som en del av detta projekt. På den här platsen avser Dr Gerth och hans kollegor att utveckla sin expertis och översätta den till verkliga tillämpningar. Triesdorf, Tysklands minsta stad med ett universitet, är hem för jordbruksundervisningsinstitut och Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Science, vilket gör det till ett transregionalt centrum för jordbruk. Fraunhofer IIS har ett nära samarbete med kompetenscentret för digitalt jordbruk som finns där.

Välja värmetoleranta växtsorter

I labbbåset för fenotypning av växter i klimatkontrollerade miljöer vid Fraunhofer EZRT i Fürth, visar Dr Gerth hur uppfödare kommer att arbeta i framtiden. På det smala transportbandet framför röntgenmaskinen står krukor med olika växter i prydliga rader. Dörren till röntgenapparaten öppnas och en gryta rullar inuti. När dörren har stängts genomgår krukan bland annat en datortomografiskanning. Bara fem minuter senare är det dags för nästa pott.

"För över tio år sedan började vi röntga potatisplantor för att få information om knölarnas tillväxt", rapporterar Dr Gerth. "Baserat på 3D-röntgenskanningarna kan vi bestämma knölarnas vikt utan att behöva gräva upp dem." Denna process används för uppgifter som att välja särskilt värmetoleranta sorter. För detta ändamål placeras plantorna under värmestress inne i labbbåset. Skanningarna visar sedan vilka växter som hanterar stressen mest effektivt och bildar starka knölar trots värmen.

Medan endast tjocka rötter och knölar kunde röntgas med de första datortomografiska skanningarna, kan de nya systemen också fånga den känsliga underjordiska rotstrukturen hos vete. "Vår nya röntgenapparat är det mest moderna, kraftfulla systemet för röntgenstrålning av delar av växter under jord", säger Dr. Gerth.

Forskare vid Fraunhofer EZRT genomför också digital 3D-avbildning av de delar av växterna som är ovan jord, såsom löv och ax av vete. Dessa data kan användas för att bestämma mer än bara området på bladytan – 3D-bilderna ger också information om växtens värmetolerans. Höjer växten sina blad för att skydda sig mot solen? Kryper den ihop sina löv på grund av stress?

Använda AI för att analysera enskilda växtfenotyper

Effektiviteten hos Fraunhofer EZRT:s optiska anläggningsigenkänningssystem visades tydligt i ett testfält hos fröföretaget Strube D&S GmbH. I det här fallet användes den andra BlueBob-prototypen – en fältrobot som navigerar själv och automatiskt tar bort ogräs i sockerbetsfält. När den rör sig mellan raderna, registrerar den bilder av alla levande växter med hjälp av multispektrala kameror.

"Genom att använda artificiell intelligens analyseras fenotypen för varje enskild växt och klassificeras som antingen en ogräs- eller en betväxt", förklarar Christian Hügel, chef för det tekniska centret för fröforskning vid Strube. Om BlueBob 2.0 identifierar ett ogräs, tar det bort det från marken med sina hackverktyg. Den tar bort ogräs både mellan raderna (med statiska verktyg) och inom raderna (med hjälp av rörliga verktyg). Som ett resultat tas nästan allt ogräs runt betplantorna bort. Detta innebär att användningen av kemiska ogräsmedel kan minskas drastiskt.

Ett stort arbetspaket vid det nya centret i Triesdorf kommer att involvera bearbetning av data som erhållits under fenotypning. "Vårt främsta mål är att använda vår teknik för att stödja små och medelstora växtförädlare", betonar Dr. Gerth. + Utforska vidare

Att förbehandla jord med etanol skyddar växter från torka