Röntgenografische und optische Überwachung von Pflanzen & Saatgut

Am Anfang der Nahrungskette für Mensch und Tier stehen Pflanzen. Durch die zunehmende Nutzung von Anbauflächen für die Bioenergiegewinnung ist die Ertragseffizienz der Kulturpflanzen eine wachsende Herausforderung für Saatgutproduzenten und Züchter. Optische Methoden bieten hervorragende Möglichkeiten zur Qualitätskontrolle und ‑optimierung in der Pflanzenzucht und Saatgutproduktion. Zwei vom Fraunhofer IIS in Kooperation mit Strube-Dieckmann entwickelte industriell genutzte Verfahren dazu werden im Folgenden kurz dargestellt.

Computertomographie an Lebensmitteln und Pflanzen

3D-Volumendarstellung einer Hagebutte
© FhG IIS
3D-Volumendarstellung einer Hagebutte
Zweidimensionales Schnittbild einer Hagebutte
© FhG IIS
Das zweidimensionale Schnittbild einer Hagebutte offenbart die inneren Strukturen.

Computertomographie an Lebensmitteln und Pflanzen

Die Computertomographie (CT) bietet die Möglichkeit zerstörungsfrei und berührungslos den inneren Aufbau von Objekten sichtbar zu machen. Das vielfältige Angebot des Fraunhofer-Entwicklungszentrums Röntgentechnik reicht von mobiler Computertomographie über Systeme, die sich in die Produktionslinie integrieren lassen, bis hin zu hochenergetischen Verfahren. Mit der zeitaufgelösten CT (4D-CT) sind wir auch in der Lage, Bewegungsabläufe, die verborgen im Inneren von Objekten ablaufen, vollumfänglich darzustellen und zu analysieren. Wir setzten Computertomographie sowohl für die Rekonstruktion einzelner Schichten (2D) als auch für die Rekonstruktion vollständiger Volumen (3D) ein.

Lebensmittel

Die Computertomographie (CT) hat in den letzten Jahren als zerstörungsfreies 3D-Prüfverfahren in der Industrie zunehmend an Bedeutung gewonnen und wird bereits mit großem Erfolg in der Medizin, der Geologie, Biologie und der Materialforschung eingesetzt. Nun erfreut sich diese Technik auch im Lebensmittelsektor immer größerer Beliebtheit als nützliche Methode bei der Untersuchung der Mikrostruktur von Lebensmitteln.

Die Anwendung von CT zur Visualisierung von Pflanzen oder Pflanzenteilen sowie die Auswertung des Wachstumsprozesses eröffnet viele neue Möglichkeiten. Somit ist es möglich, Wurzeln, Samen, Früchte, Blätter und Zweige zu untersuchen ohne den Wachstumsprozess zu unterbrechen. Diese Herangehensweise eröffnet neue Möglichkeiten in der Phänotypisierung, da zeitaufgelöste Messungen an ein und der selben Pflanze durchgeführt werden können.

Laufende und abgeschlossene Projekte:

Unterirdische Wurzelstrukturen und Reifeprozesse von Fruchtständen

Ertragreiche Pflanzen erkennen und nutzen

3-Dimensionale Vermessung von Pflanzen zur Bewertung von Saatgutqualitäten

© FhG IIS
Fusion der Farbdaten mit 3D-Daten aus zwei Laserlichtschnittansichten
Dreidimensionales Pflanzenmodell
© FhG IIS
Dreidimensionales Pflanzenmodell als Ergebnis der Datenfusion
© FhG IIS
3D-Pflanzenscanner*

Für wichtige Entscheidungen in der Zucht und Saatgutproduktion werden auch objektive Verfahren zur Bewertung des Pflanzen­wachs­tums benötigt. Diese sollen die her­kömm­liche subjektive Bonitur ergänzen. Hierfür kann optische Messtechnik in Kombination mit Bildverarbeitung direkt auf dem Versuchsfeld eingesetzt werden.

In einem vom Fraunhofer IIS in Kooperation mit der Strube GmbH & Co. KG entwickelten mobilen Messsystem werden hochauflösend (0.3mm)³ Pflanzen auf dem Feld mit Laserlichtschnitt dreidimensional vermessen und mit einer Farbkamera aufgenommen. Die 3D-Daten werden anschließend mit den Farbdaten fusioniert. Mittels Bildverarbeitung wird nun vollautomatisch die Blattfläche unabhängig von der Blattstellung für Rübenpflanzen ermittelt.

Auf dieser Basis können die Merkmale Wuchsstadium zu einem bestimmten Zeitpunkt und Blattfläche objektiv bestimmt werden. Des Weiteren wird als wichtiges Qualitätskriterium die Homogenität des Feldaufgangs bestimmt. Die Einzelpflanzen können auf einem Monitor von allen Seiten in natürlichen Farben dreidimensional betrachtet werden. Dies ermöglicht eine visuelle Beurteilung durch Experten und den detaillierten und direkten Vergleich von Pflanzen verschiedener Standorte und Genetiken.

Die metrische Bestimmung weiterer morphologischer Merkmale aus den Messdaten speziell abgestimmt auf die Anforderung von Züchtern ist ebenso möglich, wie eine Anpassung des Systems auf andere Kulturpflanzen.

* Der 3-D-Pflanzenscanner ist tragbar ausgelegt, damit wetterunabhängig auf dem Feld gemessen werden kann, ohne den Boden zu beschädigen. Mit diesem System können 1500 Rübenpflanzen pro Tag dreidimensional vermessen werden.