PhenoRob: Robotics and Phenotyping for Sustainable Crop Production

Der DFG-geförderte Exzellenzcluster PhenoRob an der Universität Bonn befasst sich mit Forschung im Bereich Robotik und Phänotypisierung für eine nachhaltige Pflanzenproduktion. Auf dieser Seite wird der Exzellenzcluster, sowie die Mitarbeit der Abteilung Geophysik vorgestellt.

PhenoRob - Worum geht es?

Lebensmittel, Futtermittel, Fasern und Treibstoff: Der Ackerbau spielt eine wesentliche Rolle für die Zukunft der Menschheit und unseres Planeten. Der ökologische Fußabdruck der Landwirtschaft muss verringert werden: weniger Einsatz von Chemikalien wie Herbiziden und Düngemitteln und anderen begrenzten Ressourcen wie Wasser oder Energie. Gleichzeitig stellen der Rückgang der Anbauflächen und der Klimawandel zusätzliche Probleme wie Dürre, Hitze und andere extreme Wetterereignisse dar.
Die spektrale elektrische Impedanztomographie (sEIT) wird als In-situ-Instrument für die strukturelle und funktionelle Erfassung von Wurzelsystemen im Feld eingesetzt; die Datenverarbeitung wird optimiert und mit etablierten elektrischen Boden-Wurzel-Beziehungen verknüpft, um die Durchwurzelung und die Wasseraufnahmetiefe zu überwachen.

Die sechs Kernprojekte von PhenoRob sind:

CP 1: In-Field 4D Crop Reconstruction
CP 2: Relevance Detection of Crop Features
CP 3: The Soil-Root Zone
CP 4: Autonomous In-Field Intervention
CP 5: New Field Arrangements
CP 6: Technology Adoption and Impact

Mitarbeit der Abteilung Geophysik am Kernprojekt 3 - Die Boden-Wurzel-Zone (CP 3: The Soil-Root Zone)

Projekte in der Abteilung Geophysik

Der Exzellenzcluster PhenoRob hat 2019 seine weltweit führende Forschung im Bereich Robotik und Phänotying für eine nachhaltige Pflanzenproduktion aufgenommen. Das übergreifende Ziel des Projekts ist die Umgestaltung der Pflanzenproduktion und -bewirtschaftung durch die Entwicklung und den Einsatz neuer Technologien und damit die Anpassung an den globalen Klimawandel.
Die Abteilung Geophysik des IfG trägt mit zwei Projekten innerhalb des Kernprojekts 3 (Die Boden-Wurzel-Zone) zu den Forschungsbemühungen bei, die sich beide mit der elektrischen Polarisationssignatur von Pflanzenwurzelsystemen befassen:

Das erste Projekt zielt darauf ab, die spektrale elektrische Impedanztomographie (sEIT) als Instrument zur Phänotypisierung für die strukturelle und funktionelle Erfassung von Wurzelsystemen sowohl im Labor als auch im Freiland einzusetzen (siehe Abbildung). Mehrjährige Überwachungsexperimente an einer Vielzahl von Kulturpflanzen werden mit Laborstudien gekoppelt, um die elektrischen Beziehungen zwischen Boden und Wurzel mit einem experimentellen Forschungsansatz zu ermitteln.

1/3 sEIT-Überwachungsaufbau im Feldmaßstab auf einer Maisfläche © Valentin Michels

2/3 Labormessungen an Sojabohnen © Valentin Michels

3/3 Resultierende Polarisationssignatur des Wurzelsystems © Valentin Michels

Obere Hälfte: Skizze eines vertikalen Querschnitts von einer Wurzel mit Vergrößerung der Wurzeloberfläche und Darstellung der Bindung von Kationen an der negativ geladenen Wurzeloberfläche. Untere Hälfte: Skizze eines horizontalen Querschnitts von einer Wurzel mit der Position von positiv und negativ geladenen Ionen an der Wurzeloberfläche und an der Zelloberfläche nach Anwendung eines elektrischen Feldes.

Schematischer Doppelschichtaufbau auf der Wurzeloberfläche (oben) und das konzeptionelle Modell für die Wurzelpolarisation (unten). © Larissa Reineccius

Skizze einer jungen Maispflanze mit Wurzelstruktur und Vergrößerung einer einzelnen Wurzel. In der Vergrößerung werden drei wichtige Prozesse der Wurzelmodellierung dargestellt.

Skizze des Upscaling-Prozesses von der Einzelwurzelskala auf die Pflanzenskala für Boden-Wurzel-Prozesse und die daraus resultierenden elektrischen Signale. © Larissa Reineccius

Das zweite Projekt nähert sich dem Thema aus einem anderen Blickwinkel und zielt darauf ab, die elektrische Signatur auf einer theoretischen Ebene zu verstehen. Nährstoffdynamik und Verlagerungsprozesse im Boden-Wurzel-System verändern die elektrische Signatur der Wurzeloberfläche und umgekehrt. Die Entwicklung eines elektrischen strukturell-funktionalen Boden-Wurzel-Modells, das den Wasserfluss im Boden, die Dynamik der gelösten Stoffe sowie die texturellen und mineralogischen Merkmale des Bodens berücksichtigt, verbessert die Interpretation komplexer elektrischer Leitfähigkeitssignale und das Verständnis der Prozesse in der Rhizosphäre.

Weitere Informationen zum Teilprojekt der Abteilung Geophysik finden Sie hier.

Partnerinstitutionen

Zu den Partnerinstitutionen der Universität Bonn im Exzellenzcluster PhenoRob gehören das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Leibniz-Zentrum für
Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V., das Institut für Zuckerrübenforschung (IfZ) an der Universität Göttingen und das Fraunhofer Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme (IAIS).

Akademisches Netzwerk

Auf weltweiter Ebene baut PhenoRob akademische Netzwerke im Bereich der digitalen Technologien für eine nachhaltige Pflanzenproduktion auf. Zu diesen gehören die folgenden Institute:

Das AI Institute for Next Generation Food Systems (AIFS), das AI Institute for Resilient Agriculture (AIIRA), das Artificial Intelligence for Future Agricultural Resilience, Management, and Sustainability Institute (AIFARMS), die ETH Zürich, die University of Lincoln, die University of Melbourne, die Queensland University of Technology (QUT) und die Wageningen University & Research (WU&R).

Die folgenden Netzwerke sind ebenfalls ein Teil des weltweiten PhenoRob Netzwerks:

Das Lamarr-Institut für Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz, das FAIRagro-Konsortium, die Plattform Farmwissen, das International Plant Phenotyping Network (IPPN), das Forschungsnetzwerk NRW-Agrar und die Plattform Land- und Ernährungswirtschaft im Rheinischen Revier (PLAIN-RR).