Pflanzenanbau und -transformation
Die Infrastrukturgruppe von Dr. Karin Köhl entwickelt und nutzt hoch-reproduzierbare und effiziente Pflanzenanbaumethoden in Klimakammer und Feld und führt Pflanzentransformationen als Service für das gesamte Institut durch. Die wissenschaftliche Arbeit beschäftigt sich mit pflanzlicher Stresstoleranz unter Feldbedingungen und die Entwicklung von Datenmanagementsystemen für Pflanzenbau und Phänotypisierung.
Trockentolerante Kartoffeln
Kartoffel ist die drittwichtigste Nahrungspflanze und die Hälfte des Ertrags wird in Entwicklungsländern produziert. Da Kartoffeln wenig trockentolerant sind, beeinträchtigt die abnehmende Wasserverfügbarkeit infolge von Klimaveränderungen sowie konkurrierenden Wassernutzern die Ertragsstabilität erheblich. Eine Lösung ist die Züchtung trockentoleranter Sorten, die mit weniger Wasser stabile Erträge liefern. Der Goldstandard für die Züchtung trockentoleranter Kulturpflanzen war die Selektion auf hohen Ertrag unter Trockenstress; dieses Verfahren dauerte wegen der aufwendigen Feldversuche Jahrzehnte. Moderne Züchtungsstrategien nutzen daher Vorhersagemodelle auf der Basis von Genominformationen. Um diese Prognosemodelle zu trainieren, sind genetische Daten und Informationen zur Trockentoleranz von mehreren hundert Genotypen, die die Züchtungspopulation genetisch gut repräsentieren, erforderlich. Das MPI-MP ist zusammen mit anderen Wissenschaftlern und Züchtern am Gemeinschaftsprojektes POMORROW (2025 – 2030) beteiligt, in welchem die genetischen Informationen für mehrere tausend Kartoffel-Akzessionen aus der Genbank Gatersleben ermittelt werden.
Im POMORROW Konsortium ist die Quantifizierung der Trockentoleranz von mehreren hundert Akzessionen die Aufgabe der Gruppe von Karin Köhl. Die Akzessionen werden dabei in einem Versuchssystem unter feldähnlichen Bedingungen unter optimaler und reduzierter Bewässerung angebaut (s. Abb. 1) und ihre relative Leistung unter Trockenstress ermittelt (Haas et al., 2020; Köhl et al., 2021). Zusätzlich wird in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Caroline Gutjahr überprüft, ob das Wachstum der Akzessionen unter optimalen Bedingungen und Wassermangel durch die Symbiose mit Pilzen, die arbuskuläre Mykorrhizen ausbilden, gefördert werden kann.
Für die schnelle Toleranzermittlung werden Parameter der Sprossentwicklung genutzt, die mittels automatischer Phänotypisierung gemessen werden. Die Messanlage fährt mehrmals täglich über den Bestand und misst mittels Laserscanner und Reflexionsmessung in vier Farbbereichen die Sprossentwicklung, die Blattstellung und die Färbung des Bestandes. Frühere Untersuchungen an einer Population von Kulturkartoffeln, die signifikant ihn ihrer Trockentoleranz variierten, ergaben eine Korrelation zwischen relativem Ertrag unter Stress und der Blattflächenentwicklung sowie Blattstellung (Köhl et al., 2023; Mulugeta Aneley et al., 2022; Sprenger et al., 2015). Diese Merkmale werden genutzt, um die Trockentoleranz von 400 Kartoffelakzessionen zu bestimmen. Besonders tolerante Akzessionen können als Eltern für die Toleranzzüchtigung genutzt werden. Zusammen mit den genetischen Daten können Genregionen identifiziert werden, welche die Trockentoleranz erhöhen. Diese Gene können dann züchterisch oder über Genomeditierung in das deutsche Kulturkartoffelsortiment eingebracht werden, um den Kartoffelanbau in Deutschland zukunftssicher zu machen.
Phänotypisierung und Datenmanagement
Schnelle und reproduzierbare Erfassung von Pflanzenmerkmalen – ‚Phänotypisierung‘ – wird in der Grundlagenforschung ebenso benötigt wie in der angewandten Pflanzenzüchtung. Wir haben ein einfaches, preiswertes System (Phenotyper) entwickelt, das mobile Datenerfassungsgeräte für die Datenerfassung am Standort und open-source Software für das Datenmanagement verwendet (Köhl und Gremmels, 2015). Der Phenotyper liefert ein gut strukturiertes und flexibles System für die Datenerfassung und eine Datenmanagementstruktur, die sichere Archivierung und effiziente, automatisierte Auswertung ermöglicht. Aktuell wird das ursprünglich für Windows CE entwickelte System von Jürgen Gremmels (AG Walther) für Geräte mit dem Betriebssystem Android weiterentwickelt.
Die Arbeitsgruppe betreibt zwei Wetterstationen, um die mikro-meteorologischen Metadaten (Lichtintensität, Lichtqualität, Temperatur, Luftfeuchte, Niederschlag und Windgeschwindigkeit) für die Versuche zu messen. Seit 2021 verwenden wir zudem für die automatische Erfassung der Bodenparameter (Wassergehalt, Temperatur) zur Versuchsüberwachung und -steuerung Lorawan-Bodenwassersensoren, die ihre Daten auf einen institutseigenen Server übertragen.
Die genetischen Ressourcen und die Pflanzenversuche des Instituts werden seit 2005 kontinuierlich mit dem Laborinformation-Managementsystems Nautilus © erfasst (Köhl et al., 2008). Das System zur Dokumentation von Methoden und Arbeitsabläufe im Transformationslabor (Köhl & Gremmels, 2010) wird seit 2009 verwendet. Aktuell entwickeln Jürgen Gremmels aus der Arbeitsgruppe Dirk Walther und Karin Köhl das Gewächshausmanagementsystem weiter, um Ressourcenbuchung und -verwaltung für alle Nutzer über Weboberflächen zugänglich zu machen.
