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Moderne Landwirtschaft
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Gene spielen eine sehr entscheidende Rolle bei der Gestaltung zukünftiger Generationen in lebenden Organismen. Der Grundgedanke, dass Lebewesen gemusterte Wesen sind, basiert auf ihrer Herkunft. Wenn beispielsweise der Nachwuchs eines Cricketspielers gut Cricket spielt, wird angenommen, dass er vom Cricket-Gen des Elternteils stammt. Auch bei Pflanzen spricht der genetische Ursprung Bände über die Pflanze und die zukünftigen Nachkommen.
Jede Pflanze weist ihre eigenen Eigenschaften auf und es gibt diesbezüglich Vor- und Nachteile. Vielleicht hätte die Rosenpflanze in Ihrem Haus mehr Blumen geben sollen, als sie normalerweise gibt. Vielleicht hätte der Flaschenkürbis im Ertrag größer sein sollen als das, was Sie geerntet haben. Nun, was wäre, wenn dies wahr werden könnte, indem man genetisches Material innerhalb der Pflanze verwendet und das Gen so steuert, dass es das dominante Ausdrucksvermögen hat? Dies reizte die Gehirne der Wissenschaftler. Und so wurde das Grundkonzept der genetischen Veränderung in Pflanzen und schließlich der Phänotypisierung eingeführt.
Der Phänotyp leitet sich von den griechischen Wörtern „phainen“ (zeigen) und „tupos“ (Typ) ab und bezieht sich auf die Sammlung messbarer Merkmale eines Individuums, die sich aus der Interaktion des Genotyps mit der Umwelt ergeben; somit repräsentieren Phänotypen die Natur und die Ernährung des Organismus.
Die Pflanzenphänotypisierung bietet Daten zu den anatomischen, historischen, physiologischen und biochemischen Eigenschaften der Pflanze. Die Phänotypisierung von Pflanzen ist ein führender Faktor für die Intensität der Selektion, die Präzision der Selektion und die Erkennung neuer genetischer Variationen. Innerhalb eines Pflanzenzüchtungssystems kann der genetische Nutzen (das Ausmaß der Ertragssteigerung im Laufe der Zeit) auf verschiedene Weise beschleunigt werden, einschließlich durch die Erhöhung des Umfangs des Züchtungsprogramms, um eine höhere Selektionsintensität zu ermöglichen.
Technologien zur Hochdurchsatz-Feldphänotypisierung (HTFP) haben die Kapazitäten für die Verfolgung und Quantifizierung von Feldexperimenten und Zuchtschulen in mehreren Maßstäben in den letzten zehn Jahren erheblich erweitert. Der Vorteil dieser HTFP-Technologien besteht nicht nur darin, umständliche und subjektive Bewertungen schnell und kostengünstig zu ersetzen, sondern auch die Fähigkeit neuer, latenter Phänotypen freizusetzen, die die zugrunde liegende biologische Funktion widerspiegeln.
Die Pflanzenzüchtung wird bei falscher Phänotypisierung ineffizient und manchmal wertlos, da jedes Screening von Genotypen so effizient ist, wie es sein Protokoll zulässt, und jede Voreingenommenheit – je nach Ausmaß – den genetischen Gewinn erheblich beeinträchtigen kann. Es ist wichtig zu verstehen, dass die effektivste Selektion darin besteht, dass die Häufigkeit günstiger Allele in der Zielpopulation in den frühen Zuchtzyklen gering ist.
Alle ungenauen Protokolle für die Phänotypisierung, insbesondere in kleinen oder begrenzten Zuchtpopulationen, werden die Effizienz aufgrund der sehr geringen Häufigkeit günstiger Allele und genetischer Gewinne verringern.
Daher gibt es verschiedene Arten von Phänotypisierungstechniken, die basierend auf dem Ackerland und der Anwendungsagenda implementiert werden.
Die Feldphänotypisierung mit hohem Durchsatz verwendet eine Vielzahl von Sensoren und Analyseverfahren, um die Effizienz, Photosynthese, Produktion, das Design, das Wachstum oder die Biomasseproduktivität einzelner Pflanzen oder Pflanzenbestände zu quantifizieren. Einige dieser Sensoren und Verfahren wurden ursprünglich in der Fernerkundung entwickelt, einige in der Präzisionslandwirtschaft, andere sind laborbasierte bildgebende Verfahren. Pflanzenfarbe, spektrale Reflexion, Chlorophyll-Fluoreszenz, Temperatur und andere Merkmale werden quantifiziert, aus denen Merkmale wie Biomasse, Architektur, Ährenzahl, Photosynthesefähigkeit, Stomaöffnung oder Stressresistenz extrahiert werden können.
Die automatisierte bildbasierte Pflanzenphänotypisierung mit hohem Durchsatz bezieht sich auf die zerstörungsfreie Erfassung und Quantifizierung von Pflanzenmerkmalen durch die Analyse von Bildern, die in regelmäßigen Abständen und mit Genauigkeit gesammelt wurden. Während die phänomenale Forschung im letzten Jahrzehnt beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, ist die Extraktion aussagekräftiger und zuverlässiger numerischer Phänotypen aus Pflanzenbildern, insbesondere unter Berücksichtigung ihrer einzelnen Komponenten, z. Blätter, Stängel, Früchte und Blüten, bleibt aufgrund verschiedener Herausforderungen, einschließlich Beleuchtungsvariationen, ein kritischer Engpass für die Umsetzung von Fortschritten in der Phänotypisierungstechnologie in genetische Erkenntnisse.
Die Phänotypisierung von Pflanzen mit bodengestützten Fahrzeugen und Sensoren wird als proximale Phänotypisierung bezeichnet. Die proximale Phänotypisierung ist eine aufstrebende Wissenschaft, die Genomik mit Agronomie und Pflanzenökophysiologie verbindet und gleichzeitig Sensorik und automatisierte Technologie kombiniert. Während des Pflanzenwachstums und der Entwicklung entwickelt sich der funktionelle Pflanzenkörper (PHENOTYP) durch die komplexe Interaktion zwischen der genetischen Geschichte (GENOTYP) und der physikalischen Umgebung, in der sich Pflanzen entwickeln (UMGEBUNG). Diese Wechselwirkungen bestimmen die Effizienz und Produktivität von Pflanzen gemessen als kumulierte Biomasse und die Effizienz des kommerziellen Ertrags und der Ressourcennutzung. Um Strategien für eine nachhaltige Pflanze zu entwickeln, muss das gesamte Spektrum der Pflanzenwissenschaft vom molekularen Maßstab bis zum Feldmaßstab einbezogen werden.
Es gibt etwas andere Anforderungen an die Pflanzenphänotypisierung für die Präzisionslandwirtschaft im Vergleich zur proximalen Phänotypisierung. Einige Anwendungen der Phänotypisierung erfordern unterschiedliche Ansätze und Lösungen für die Pflanzenzüchtung, und daher basiert diese Art der Phänotypisierung auf der Optimierung stabiler Erträge und der Gewährleistung der Qualität der Pflanzen. Diese Art der Phänotypisierung kann zur Früherkennung von neu auftretenden Krankheitserregern in Pflanzen verwendet werden, um rechtzeitig Maßnahmen einzuleiten. Die Anwendung der Phänotypisierung ist auf der Grundlage spezifischer Pflanzen und Varianten der Pflanzen diversifiziert.
Unser Gedanke:
Gegenwärtige Hochdurchsatz-Feldphänotypisierungsansätze haben vielversprechende Ergebnisse, die als Rahmen für Wachstum und Verbesserung in der modernen Landwirtschaft verwendet werden können. Zuverlässige, zeit- und kosteneffiziente Anwendungen zur Phänotypisierung können die Ertragserwartungen für Landwirte ändern, wenn sie richtig implementiert werden. Agrarunternehmen und AgTechs müssen verstehen, wie sie die Phänotypisierung nutzen und den Ertrag durch nachhaltige Methoden verbessern können. Die Phänotypisierung kann Wunder wirken, wenn die signifikanten Merkmale von Kulturpflanzen identifiziert und die neuartige Qualität dieser Merkmale genetisch repliziert werden. Dies ist jedoch eine Vision für die ferne Zukunft; nichts, was nicht erreicht werden kann. Außerdem müssen die produzierten phänotypischen Daten erfasst und verarbeitet werden
eine quantitative, stabile und schnelle Art der Verarbeitung in ein Format, das die Endbenutzer explizit interpretieren können. Die Durchführung der Phänotypisierung unter kontrollierten Bedingungen wird sich sowohl für Erzeuger als auch für Verbraucher als vorteilhaft erweisen und eine Win-Win-Situation darstellen.
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