• Fitness-Strategie für Weizen, Soja und Co.

    Crop Efficiency: Forschungsstrategie für höhere Ernteerträge

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    Vom Auge zum Sensor: Michael Gübert, Dr. Gitta Erdmann und Daniel Fabian (v. li.) beurteilen die Weizenpflänzchen im Gewächshaus. Dabei werden sie immer mehr unterstützt von computergestützten Phänotypisierungstechnologien.

Die Menschheit wächst rasant. Um ihre Ernährung zu sichern, braucht es höhere Ernteerträge auf der gleichen Ackerfläche. Bayer-Forscher arbeiten weltweit daran, Ackerkulturen wie Weizen oder Sojabohnen auf Höchstleistung zu trimmen. Mit modernen Genanalysen, Hightech-Kameras sowie Physiologie- und Biochemie-Know-how entschlüsseln die Experten das Leben der Pflanzen im Detail: wertvolles Wissen für neue Züchtungserfolge, innovative Pflanzenschutzmittel und eine ­erfolgreiche Landwirtschaft der Zukunft.

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  • Herausforderung:
    Die Weltbevölkerung wächst – doch das verfügbare Ackerland ist begrenzt.
  • Lösung:
    Bayer-Forscher arbeiten weltweit daran, Kulturen wie Weizen oder Sojabohnen auf Höchstleistung zu trimmen und leisten damit einen Beitrag, die Ernährung der Menschheit zu sichern.
  • Nutzen:
    Bayer-Forscher entwickeln so robustere und ertragreichere Pflanzensorten und innovative Pflanzenschutzprodukte. Damit sichern sie eine erfolgreiche Landwirtschaft der Zukunft.     

Die Bedrohung kommt langsam aus dem Inneren der Weizenpflanze. Denn unter Stress schalten die Zellen auf Notprogramm: Eine biochemische Kettenreaktion startet, die Pflanze kämpft ums Überleben – und hoher Ertrag wird für sie zweitrangig. So wirken die Weizenpflänzchen auf den ersten Blick zwar noch frisch, aber in den Pflanzenzellen herrscht bereits Alarmstufe Rot: „Dem Weizen droht Stress durch Wassermangel. Und damit steht die Ernte auf dem Spiel“, sagt Dr. Hans-Jürgen Rosslenbroich aus dem Agronomic Development von Bayer CropScience. Er und sein Team untersuchen das Verhalten von Weizenpflanzen mit Sensortechnologie und versuchen, ihn auf höhere Widerstandsfähigkeit gegen abiotische Umweltfaktoren zu trimmen. Dazu gehören Klima, Boden- oder Lichtverhältnisse. „Alles Faktoren, die wir mit klassischen Pflanzenschutzlösungen nicht gezielt adressieren können“, erklärt Raphael Dumain, Global Head of Crop Efficiency. Unter dem Begriff Crop Efficiency fassen die Pflanzenexperten von Bayer CropScience verschiedene Forschungsfelder zusammen, in denen sie das Ertragspotenzial von Nutzpflanzen systematisch optimieren wollen. Sie arbeiten mit allen zur Verfügung stehenden Technologien, darunter Züchtung, Trait-Research, Chemie und Biologie.

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Erntetag: Damit sie genau nachvollziehen können, wie viel Ertrag jede Pflanze aus dem Gewächshaus bringt, ernten Dr. Gitta Erdmann und Dr. Hendrik Helmke (v. li.) mit ihren Kollegen von Hand. Dadurch können sie auch präzise analysieren, welchen Einfluss getestete Wirkstoffe auf die Ernten haben.

Auf dem Feld nagen außerdem Käfer und Raupen an Blättern und Wurzelgeflecht, Unkräuter machen den Pflanzen Licht und Nährstoffe streitig und Pilze befallen sie. „Aber das sind nicht die einzigen Herausforderungen, die die Kulturpflanzen meistern müssen“, sagt Dumain. „Dürre, Hitze, Frost, aber auch fehlende Nährstoffe sind weitere Faktoren, die die Pflanzengesundheit ­beeinflussen – und damit die Erträge.“ Beispiel Weizen: Steigt die Durchschnittstemperatur auch nur um ein Grad, bedeutet das in Entwicklungsländern Ernteeinbußen von etwa zehn Prozent. Um dem entgegenzuwirken, versuchen Pflanzenforscher rund um den Globus robustere und ertragreichere Sorten zu züchten und neue Pflanzenschutzmittel zu entwickeln – ein Wettlauf gegen die Zeit: Auf der Erde leben immer mehr Menschen und das verfügbare Ackerland ist nicht beliebig ausweitbar. War im Jahr 1950 die Ackerfläche pro Kopf beinahe so groß wie ein Fußballfeld, ist sie heute auf die Größe eines Eishockeyfeldes geschrumpft – und sinkt weiter.

Die weltweit verfügbare Ackerfläche pro Kopf schrumpft immer weiter

Dumain: „Die Kulturpflanzen der Zukunft müssen also Höchstleistungen erbringen, damit wir die Weltbevölkerung auch künftig ernähren können.“ Deshalb trimmen die Forscher von Bayer CropScience Nutzpflanzen mit verschiedenen Strategien zu mehr Ertrag und Widerstandsfähigkeit. „Ziel ist, die Pflanzen zu stärken, sodass sie Nährstoffe besser verwerten können und nicht nur ­­mit Schädlingen zurechtkommen, sondern auch mit widrigen Umweltbedingungen wie Trockenheit”, erklärt Dumain. Daher entwickeln die Bayer-Forscher Lösungen, die das genetische Potenzial der Nutzpflanzen verbessern, negative Umwelteinflüsse wie Trockenheitsstress reduzieren und die Umwandlung natürlicher Ressourcen in Ertrag steigern – beispielweise durch die bessere Verwertung von Nährstoffen. „Voraussetzung ist, dass wir die Pflanzen und ihren Stoffwechsel verstehen – und lernen, wo wir wie eingreifen können“, sagt Dumain, der alle bereichsübergreifenden Forschungsprojekte seiner Kollegen weltweit im Blick hat.

Pflanzenkenner: Dr. Jan Dittgen vergleicht junge Weizenpflänzchen, die unter unterschiedlichen Bedingungen heranwachsen.
Seine Kollegen Dr. Marc De Block und Dr. Korneel Vandenbroucke (v. li.) prüfen, wie gut Rapspflanzen einen Farbstoff aufgenommen haben, mithilfe dessen sie die Verdunstung der Pflanzen untersuchen können.
Mensch und Technologie: Im Crop Performance Lab überblicken Andrea Zimmermann-Gross und Manfred Wagenbach (v. li.) die Versuche mit jungen Weizenpflanzen.
Bereits die Keimlinge sind für die Forscher interessant: Im Physiologie-Labor geben Multispektralanalysen Hinweise auf ­Mechanismen, die bei Stresstoleranz und späterer Ertragsbildung eine Rolle spielen.

Die Forscher wollen die Nutzpflanzen von innen heraus gegen Wetter und Schädlinge stärken

Seine Forscherkollegen untersuchen bis ins Detail, wie die Pflanzen die Prozesse zur Fruchtbildung verwalten – und wie sich diese verbessern lassen. Dazu nehmen die Bayer-Experten auch das Erbgut unter die Lupe: „Wir wollen zum Beispiel im Weizen herausfinden und verstehen, welche Gene für höhere Erträge sorgen“, erklärt Dr. Marc Bots, Leiter der Trait-Research im Crop-Efficiency-Team (s. a. „Die Weizen-Macher“).

Er beschäftigt sich unter anderem mit der Fotosynthese, ­also dem Energiestoffwechsel der Pflanzen. Mit diesem Prozess ­wandelt sie Licht und Luft in Biomasse und Zucker um, die unter anderem in die Ähren fließen. „Ein Schlüsselmolekül ist das Enzym RuBisCO: Es fixiert das Kohlendioxid aus der Luft, das in weiteren Schritten zu Zucker verarbeitet wird“, erklärt Bots.

250 Millionen Tonnen

Weizen werden bis 2050 ­zusätzlich ­benötigt, um die steigende ­Nachfrage zu erfüllen.

Aber RuBisCO kann auch Sauerstoff binden. Diese Reaktion ist unerwünscht, denn dabei entstehen toxische Moleküle. Doch der Entgiftungsprozess – Fotorespiration genannt – raubt der Pflanze wertvolle Energie. „Wir können also die Fotorespiration nicht einfach unterdrücken, weil sie ein wichtiger Entgiftungsmechanismus für die Pflanze ist“, so Bots. Aber er ließe sich effizienter gestalten – so die Idee der Bayer-Forscher: „Die Fotorespiration ist ein aufwendiger Prozess mit vielen Zwischenschritten. Wir versuchen, dort eine Abkürzung einzubauen“, erklärt Bots. Sein Team kooperiert dazu mit Forschern der Universität Hannover. Sie aktivieren bestimmte Gene im Weizen und bringen spezielle Enzyme ins Spiel, die ein frühes Zwischenprodukt der Fotorespiration in weniger Schritten umwandeln. „So spart die Pflanze viel Energie, die stattdessen in den Aufbau der Frucht fließt und die Ernteerträge steigert“, erklärt der Biologe. „Wenn uns das beim Weizen gelingt, können wir das Prinzip auch auf andere Kulturen übertragen – zum Beispiel Raps.“ Haben die Forscher und Züchter eine neue Technologie identifiziert, werden sie diese in eine Anwendung umsetzen – in der am besten geeigneten Kulturpflanze. Genau das ist die Expertise der Abteilung Breeding and Trait Development, vertreten durch Colin Cavanagh, der als Experte für Crop Efficiency arbeitet.

Dr. Patrick Steigemann

Die Kulturpflanzen der Zukunft müssen Höchstleistungen erbringen.

Neben der Verbesserung des Erbguts konzentrieren sich die Bayer-Experten auch auf den Nährstoffhaushalt der Pflanzen. Eine besondere Rolle spielt Calcium: Dieser wichtige Mikronährstoff unterstützt in Sojabohnen unter anderem die Schotenbildung nach der Blüte. „Unser Partnerunternehmen Plant Impact aus England hat eine Technologie entwickelt, die die Verteilung von Calcium in Sojapflanzen verbessert“, sagt Anne Suty-Heinze, Global Strategy Segment Manager für Crop Efficiency bei Bayer CropScience. „Die Sojabauern in Brasilien können damit beispielsweise durchschnittlich sechs Prozent mehr ernten – umgerechnet sind das etwa zusätzliche 180 Kilogramm mehr Sojabohnen pro Hektar“, erklärt Suty-Heinze. Die Bayer-Forscher wollen ­Symbiosen zwischen Pflanze und Mikroorganismen nutzbar machen, um nicht nur die Nährstoffaufnahme zu ­maximieren, sondern auch das genetische Potenzial der Pflanze zu optimieren. Bestimmte Mikroben regulieren die Pflanzenphysio­logie und -biochemie, beispielsweise die Wurzelarchitektur und Foto­synthese – und führen dadurch zu höheren Kornzahlen und Ernten. Doch die Nützlinge in wirksame Beizmittel zu überführen, ist eine besondere Herausforderung: „Die Interaktionen zwischen Mikroben und Pflanze sind oft komplexer als gedacht“, so Dr. Magalie Guilhabert, Leiterin Crop Efficiency für Biologics Research bei Bayer CropScience in Sacramento, Kalifornien. „Deswegen lassen sich positive Effekte aus Tests im Labor nicht immer einfach auf große Feldstudien übertragen.“ Das Biologics-Team arbeitet daher daran, die Vorgänge in nützlichen Mikroorganismen wie auch ihre Wechselwirkungen mit den Pflanzen immer besser zu verstehen. Dabei nutzen sie moderne genetische und physiologische Analysen und Hightech-Mikroskopietechniken. In Zukunft wollen sie etwa auch Vorhersagetools entwickeln, mit denen sie vielversprechende Pilz- oder Bakterienstämme früher erkennen können.

Optimiertes Erbgut spart der Pflanze Energie, Bakterien helfen bei der Nährstoffversorgung

Ein ausgeglichener Nährstoffhaushalt und ein effizienter Energiestoffwechsel machen die Nutzpflanzen widerstands­fähiger gegen Schädlinge. Und auch gegen Dürrestress suchen die Bayer-Forscher nach Lösungen. „Unser Ziel ist es, die Ernteeinbußen durch Trockenheitsstress zu verringern. Die Pflanze soll bei Trockenheit nicht so schnell in den Überlebensmodus gehen, sondern sich weiterhin auf die Kornbildung konzentrieren“, ­erläutert der Bayer-Chemiker Dr. Hendrik Helmke. Im Labor können die Forscher dazu beispielsweise die klimatischen Bedingungen genau einstellen und heiße Sommer, ein nasskaltes Frühjahr oder extreme Dürreperioden simulieren. Gemeinsam mit dem Team von Dr. Gitta Erdmann, bei Crop Efficiency Leiterin der Small Molecule Research, sucht Helmke im Labor nach Substanzen, die den Pflanzen helfen, besser mit Trockenheitsstress umzugehen. Ausgangspunkt sind Safener-Moleküle: Sie werden oft ergänzend zu Herbiziden auf das Feld gegeben und schützen die Nutz­pflanzen vor der Wirkung der Unkrautvernichter. Erdmann: „Wir haben festgestellt, dass einige dieser Moleküle zusätzliche Effekte haben – und die Kulturpflanzen gleichzeitig vor Kälte-, Trockenheits-, Hitze- und UV-Stress bewahren. Mit diesem Wissen gehen wir jetzt ganz gezielt auf die Suche nach Wirkstoffen, die diesen Zusatznutzen aufweisen könnten.“

Dazu nehmen die Forscher bekannte Physiologie- und Stoffwechselpfade unter die Lupe, die in den Pflanzen während der Stressphasen ablaufen. Das sind beispielsweise Signalwege, die die Produktion des Pflanzenhormons Abscisinsäure regulieren. Steht eine Weizenpflanze auf dem Trockenen, bildet sie diese Substanz in Wurzeln und Blättern. „Das Pflanzenhormon bewirkt unter anderem, dass sich die Spaltöffnungen der Blätter schließen“, so Fabien Poree, Biochemieexperte. Durch diese winzigen Poren atmet die Pflanze: Sie nimmt Kohlendioxid auf und gibt Sauerstoff und Wasserdampf ab. „Um bei Trockenheit möglichst wenig Wasser zu verlieren und überleben zu können, schließt die Pflanze diese Öffnungen. Allerdings unterbricht sie damit auch den Gasaustausch. Das hemmt die Fotosynthese und bedeutet wiederum weniger Biomasse und geringere Erträge“, erklärt ­Poree. Die Bayer-Forscher entwickeln daher Moleküle, die in den Signalweg eingreifen und die erntemindernde Stressreaktion der Pflanze regulieren.

Hightech-Analysen: James Tallman sammelt auf der HyperCare Farm in Minnesota, USA, Daten neu entwickelter Weizensorten. Der hinter ihm stehende Pheno Tracker kann wie eine Art fahrendes Labor auf dem Feld eingesetzt werden.
Neue Pflanzensorten und ihre Eigenschaften können aber auch schon früher in den Bayer-Gewächshäusern mit neuester Technik vermessen und analysiert werden.

Mit den biologischen Daten können wir auf den Gesundheitsstatus und die Fitness der Nutzpflanzen rückschließen

Kälte, Dürre, Hitze: Auch unter Extrembedingungen sollen die Pflanzen hohe Ernten liefern

Was die Wirkstoffe wirklich leisten können, müssen sie vorher im Crop Performance Lab bei Erdmann unter Hitze-, Trockenheits- und Klimastress beweisen: „Zwar zeigen sich die Effekte erst nach der Ernte, also nach mehr als 100 Tagen. Aber wir sammeln Daten über den gesamten Lebenszyklus der Pflanze. Und diese Informationen sollen uns künftig ermöglichen, schon viel früher abschätzen zu können, welche Verbindungen positive Effekte auf den Ertrag haben werden.“ Bei rund 6.000 getesteten Wirkstoffen pro Jahr wäre das eine deutliche Erleichterung. Doch ein Crop Performance Lab ist weit mehr als eine ­Klimasimulationskammer: Kamerasysteme und Sensoren analysieren jede der Getreidepflanzen, die sich in Töpfen auf endlosen Laufbändern aufreihen – vom Keimling bis zur Ernte. ­Präzisionsphänotypisierung heißt dieses Fachgebiet: Mit diesen Technologien können die Forscher pflanzliche Strukturen und physiologische Funktionen ­präzise quantifizieren – etwa auch Fotosynthese und Verdunstung. „Mit den biologischen Daten können wir dann auf den Gesundheitsstatus und die Fitness der Nutzpflanzen rückschließen“, erklärt Dr. Korneel Vandenbroucke, Group Leader Physiology bei Bayer CropScience. Mithilfe der Präzisionsphänotypisierungs-Technologien verstehen die Forscher jetzt auch die Mechanismen umfassender, die der Ernteentwicklung zugrunde liegen – und können so effizienter neue genetische Ansätze zur Kräftigung der Pflanzen entwickeln. „Zusätzlich können wir früh die mögliche Leistung einer Pflanze erkennen – und ab wann sie beispielsweise Stress empfindet“, erklärt Vandenbroucke. „Denn nur ‚ausgeglichene’ Pflanzen liefern gute Ernten – der wichtigste Aspekt für die Landwirte weltweit und zur globalen Ernährungssicherung“, so der Biologe.

Speiseplan der Pflanze

Ein unverzichtbarer Nährstoff ist Stickstoff. Die Pflanzen nehmen ihn in Form von Salzen aus dem Boden auf. Sojabohnen etwa erhalten dabei Unterstützung: von symbiotischen Knöllchenbakterien an den Pflanzenwurzeln. „Sie nehmen Stickstoff aus der Luft auf, wandeln ihn in verwertbare Salze um und stellen diese der Pflanze zur Verfügung. Im Gegenzug erhalten die Bakterien energiereiche Moleküle“, erklärt Dr. Magalie ­Guil­habert. Gemeinsam mit Kollegen aus dem von Bayer übernommenen Unternehmen Biagro entwickelten die Forscher eine Saatgutbeschichtung, die ­spezielle Knöllchenbakterien enthält. Damit behandeltes Sojabohnensaatgut profitiert: Die Bakterien besiedeln schnell die Pflanzenzellen in den Knöllchen an den ersten Wurzeln der Keimlinge, die dann so viel Stickstoff wie nötig aufnehmen können. So wachsen auf den Sojafeldern starke Pflanzen heran, die höhere Ernten einbringen. Sogar der Proteingehalt der Bohnen steigt – und macht sie wertvoller für die Ernährung.

Ein Ziel: Zusammenhänge zwischen Pflanzen­physiologie und späterem Ertrag finden

Im Crop Performance Lab beginnen alle Pflanzen ihre Reise am „Check-in“: Jeder Topf erhält ein Etikett mit Nummer und Barcode – und es wird festgelegt, wie oft er einen Abstecher zu den Analysekammern macht. In einer der Boxen müssen sich die Pflanzen etwa einem 3-D-Fotoshooting stellen, mit dem die Forscher die Pflanzenstruktur detailliert abbilden. „In den Testkammern messen wir Parameter wie Biomasse und Farbintensität – und erhalten so Informationen über das Wachstum und die Vitalität der Pflanzen“, erklärt Dr. Jan Dittgen, Efficacy Testing Crop Efficiency Research bei Bayer CropScience. In einer weiteren Box messen die Forscher mit Infrarotlicht die Wasserverteilung in der Pflanze: „Damit wird sichtbar, wo eine Pflanze zu welken droht“, so Dittgen.

Versuche im Gewächshaus ersetzen keine Feldstudien unter realen Umweltbedingungen

Am Ende des Messmarathons stehen riesige Datenmengen. Mit spezieller Bildverarbeitungs- und Analysesoftware interpretieren und vergleichen die Forscher dann ihre Ergebnisse. „Die größte Herausforderung ist es, aus der Datenflut die relevanten Informationen herauszulesen“, sagt Vandenbroucke und ergänzt: „Gemeinsam mit den Experten von Computational Life Sciences versuchen wir, Zusammenhänge zwischen gemessenen Pflanzendaten und der tatsächlichen Pflanzenbiologie zu finden.“ Gelingt den Forschern das, können sie bereits in einem sehr frühen Stadium einschätzen, ob eine neue Crop-Efficiency-Technologie die Ernten steigert. „Möglicherweise gibt uns in Zukunft schon die Blatttemperatur oder der Anteil an Chlorophyll in den Blättern Hinweise auf die Erträge. Das würde uns die Entwicklung verbesserter Pflanzensorten oder neuer Wirkstoffe deutlich erleichtern“, so Vandenbroucke. So wertvoll die Testreihen und Auswertungen im Gewächshaus sind, auf Feldversuche können die Forscher nicht verzichten. „Denn dort sind die Pflanzen mit realen Umweltbedingungen konfrontiert, also Wind und Wetter, der Bodenbeschaffenheit, wechselnden pH-Werten und Nährstoffgehalten oder Mikroorganismen im Erdreich“, sagt Andreas Nicol von Bioimaging bei Bayer. Gemeinsam mit seinem Team liefert er für die Forschungskollegen von Bayer CropScience industrierobuste Technologien zur Präzisions­phänotypisierung: „Das sind sozusagen die Geheimwaffen unter den Analysegeräten, die auf dem freien Markt so nicht erhältlich sind“, sagt Nicol. Damit gibt er seinen Kollegen das nötige Rüstzeug an die Hand, um die unterschiedlichsten Fragestellungen in Sachen Pflanzenfitness besser beantworten zu können. Dazu muss das Team um Nicol die Fragen in eine entsprechende Messtechnik übersetzen: „Wir definieren, welche Indikatoren eine gesunde Pflanze überhaupt auszeichnen“, erklärt der Biophysiker. Dabei liegt die Herausforderung auch in der Zusammenarbeit von Experten unterschiedlichster Fachgebiete: „Agrarwissenschaftler, Biologen und Chemiker sitzen zusammen mit Maschinenbauern und Informatikern. Die Kombination von Geräten und Sensoren mit dem Wissen der Biologen und Chemiker ist oft Neuland. Sämtliche Schnittstellen der Einzelelemente und die zugehörige Software müssen beispielsweise richtig miteinander kommunizieren – das ist eine kniffelige Angelegenheit“, erklärt Nicol.

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Getreidemodels: Die Weizenpflänzchen im Crop Performance Lab werden ihr ganzes Leben lang alle sechs Minuten fotografiert. Petra Guer erstellt aus diesen Aufnahmen Zeitrafferfilme. Damit sehen die Forscher, wie sich die Pflanzenmorphologie mit der Zeit und unter dem Einfluss verschiedener Wirkstoffe ­verändert.

Und die Bayer-Forscher machen ihre Technologie sogar fit für den Einsatz auf dem Acker. Nicols Kollegen arbeiten schon intensiv an einer mobilen Version der Phänotypisierung: dem sogenannten Field Profiler. „Das ist eine Art fahrendes Labor in Form eines Traktors, der einen ausklappbaren Arm mit integrierter Messtechnik beherbergt“, erklärt Nicol. Während das Gefährt in Schrittgeschwindigkeit über den Acker rollt, vermessen hochauflösende Kameras und Laserscanner die Kulturpflanzen exakt. Das System ist zudem gekoppelt mit Satellitendaten zur präzisen Geo-Referenzierung mit einer Genauigkeit von etwa zwei Zentimetern. Auch die exakte Farbe der Blätter und der Reifegrad der Früchte sind wichtige Messkriterien. „Verfärbungen können auf Wassermangel oder Schädlingsbefall hindeuten“, so der Biophysiker.

Ein fahrendes Labor analysiert direkt auf dem Feld die Fitness von Weizen- oder Maispflanzen

Gleichzeitig müssen die sensiblen Apparate den rauen Feldbedingungen trotzen und inmitten von Staub, Traktorabgasen, Erschütterungen und Feuchtigkeit reproduzierbare Daten liefern. Entwickelt hat Nicol mit seinen Kollegen auch die zweite Generation, den PhenoTracker, der seit Kurzem auf einer HyperCare Farm von Bayer seine Runden dreht: „Auf diesen experimentellen Feldstationen werden Phänotypisierungstechnologien weiterentwickelt – und Crop-Efficiency-Lösungen wie Hochleistungssorten, chemische oder biologische Substanzen mit hoher Auflösung unter Feldbedingungen getestet“, erklärt Greta De Both, Crop Efficiency Manager für Global Breeding & Trait Development bei Bayer CropScience. Zum Beispiel ist eine rotierende Infrarotkamera mitten im Weizenfeld auf einem Stativ in 15 Metern Höhe montiert. Alle paar Sekunden knipst sie den Bestand unter sich und dokumentiert die Temperatur. Wie mit einem Fieberthermometer wird dadurch sichtbar, unter welchen Bedingungen die Pflanzen Hitzestress spüren. Die Kamera kann bis zu fünf Hektar abdecken. „Doch die Bildqualität sinkt zum Rand des Bestandes hin. Wir ermitteln daher auch gemeinsam mit einem spezialisierten Unternehmen, wie wir die Bilder optimal auswerten können“, so De Both. Diese Farmen werden auch Colin Cavanagh und ­seine Kollegen von Breeding and Trait Development nutzen, um zu verstehen, welche Technologien in künftige Züchtungsaktivitäten umgesetzt werden können.

Wir sammeln Daten von dem Zeitpunkt, an dem die Pflänzchen die Erde durchbrechen, bis sie geerntet werden

Drei HyperCare Farmen sind bereits in Betrieb: In Frankreich liegt der Fokus auf Winterweizen, Texas ist der ideale Standort für Trockenstressversuche und in Minnesota beschäftigen sich die Forscher vor allem mit Sommerweizen, aber auch mit Sojabohnen und Mais. „Wir sammeln Daten von dem Zeitpunkt, an dem die Pflänzchen die Erde durchbrechen, bis sie geerntet werden“, sagt James Tallman, Agrarwissenschaftler von der HyperCare Farm in Minnesota. „In enger Absprache mit den Forschern korrelieren wir die Messwerte und analysieren die Daten.“ 2016 sollen weitere Farmen folgen: in Deutschland, in Kanada sowie in den USA in Kalifornien und Nebraska. In den kommenden Jahren sollen auch datensammelnde Betriebe in anderen Klimazonen, wie in Südamerika und Australien, hinzukommen.

Digitale Analysten: Greta De Both und Dr. Marc Bots (v. li.) beurteilen Infrarotbilder von Versuchen auf Weizenfeldern. Die im Bild blau ­gefärbten Parzellen sind kühler und können besser wachsen.
Und Laurent Viau und sein Team entwickeln Softwarelösungen, mit denen gesammelte Pflanzendaten wie die Infrarotbilder besser verarbeitet, visualisiert und analysiert werden können.

Um die Datenflut auswerten zu können, müssen die Analysten die Pflanzenbiologie verstehen

Auch im Feld entstehen riesige Datenmengen. Um sie zu sortieren und relevante Informationen herauslesen zu können, bauen die Experten von Computational Life Sciences, kurz CLS, die entsprechende Infrastruktur auf. „Wir sind quasi die Schnittstelle zwischen den Pflanzenforschern und den gesammelten Datenmengen“, sagt Laurent Viau, Senior Projektmanager. Die Herausforderung für sein Team ist die Diversität der Informationen: Sie umfassen nicht nur das Wachstum oder die Temperatur der Pflanzen, sondern auch die Ergebnisse umfassender genetischer Studien, die aufbereitet und in Relation gesetzt werden müssen. „Um diese Daten sinnvoll auszuwerten, müssen wir die Wirkweisen von chemischen und biologischen Substanzen kennen, die Abläufe in den Pflanzen verstehen und natürlich die Fragestellungen der Forscher nachvollziehen können“, erklärt ­Viau. Um das zu gewährleisten, hat daher jeder seiner CLS-Kollegen auch einen biologischen Hintergrund. Mithilfe der Datenspezialisten nehmen die Bayer-Forscher alle Stadien eines Pflanzenlebens unter die Lupe. Nur so können sie verstehen, wie Weizen, Mais und Co. auf Stress reagieren, welche Gene für hohe Erträge sorgen und wie sie mit ihren Ressourcen optimal haushalten. „Das hilft uns, die Pflanzen auf Höchstleistungen zu trimmen“, fasst Dumain zusammen. So stellen er und seine Kollegen sicher, „dass Kulturpflanzen auch bei ungünstigen Wetter- und Klimaverhältnissen ausreichende, hochwertige Ernten erbringen – und helfen, die Welt künftig zu ernähren.“

Digitale Landwirtschaft

Satellitengestützt navigieren Landmaschinen heute über die Äcker, ­
sammeln Daten zu Topografie und Bodenzusammensetzung, verknüpfen ­Wetterdaten aus der vergangenen Saison mit der aktuellen Situation.
„Daten werden heute auf dem Feld gewonnen und Pflanzenmerkmale ­berührungs- und zerstörungsfrei gesammelt“, sagt Michael Schlemmer, Project Development Manager Field Phenomics. So können präzise Echtzeitdaten über den Zustand der Pflanzen oder Analysen der Bodengesundheit die Entscheidungen für den Landwirt vereinfachen. Bald sollen diese detaillierten Feldbeobachtungen zum Standard werden. Mit der Feldphänotypisierung lassen sich physiologische Daten der Pflanzen aufnehmen und auf das ganze Feld übertragen. Die Farmer können so Pflanzenschutzmittel zur optimalen Zeit ausbringen. „Der nächste große Schritt ist die Einbindung all dieser Datensätze in ein System, das die Informationen auf intelligente und automa­tisierte Weise erzeugt und verwaltet“, erklärt Schlemmer.