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Julius Kühn-Institut (JKI)
Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

Institutsleitung
Prof. Dr. Reinhard Töpfer

Adresse
Geilweilerhof
76833 Siebeldingen

Sekretariat
Sabine Martin
Tel.: 06345/41-0
Fax: 06345/41-179
zr@  julius-kuehn.  de

Veröffentlichung
Neue Rebsorten - Katalog
Institutsflyer
Broschüre

Phänotypisierung,
Digitalisierung & Präzisionsweinbau

Der Phänotyp beschreibt wie die Merkmale einer Pflanze in einer gegebenen Umwelt ausgeprägt sind. Auf dem langen Weg vom Sämling zur neuen Sorte stellt der Phänotyp das wichtigste Selektionskriterium in Zuchtprogrammen dar. Auf diese Weise können Pflanzen hinsichtlich Wuchs, Krankheitsresistenz, Ertrag und Weinqualität über viele Jahre hinweg bewertet und selektiert werden. Bis heute ist die Erfassung phänotypischer Merkmale nur begrenzt möglich, da diese überwiegend durch manuelle Bonituren erfolgt. Die Anforderungen des Züchters und der Weinbaupraxis an neue Rebsorten sind sowohl aufgrund des Klimawandels als auch einem steigenden gesellschaftlichen Ruf nach Nachhaltigkeit sowie politischen Rahmenbedingungen zum Schutz von Umwelt und Gesundheit stetig gestiegen. Wir sind davon überzeugt, dass die Züchtungseffizienz und damit die Auswahl geeigneter Sortenkandidaten durch die Anwendung neuer Phänotypisierungsverfahren - sensorgestützt, automatisiert, schnell und mit hoher Präzision – deutlich gesteigert werden. Darüber hinaus ist es unser Ziel, die entwickelten Methoden an die sehr hohen Anforderungen der Weinbaupraxis anzupassen und in den Präzisionsweinbau zu transferieren.

Der Phänotyp einer Rebe ist die Summe aller morphologischen und physiologischen Merkmale, z. B. Ertrag, die Traubengesundheit oder die (Feld-)Resistenz gegenüber Schaderregern und Qualität. Der Begriff Phänotypisierung bezeichnet die quantitative Analyse all dieser Eigenschaften und stellt seit jeher eine Schlüsseltechnologie in der Züchtung dar. Je genauer die Merkmale einer Pflanze beschreibbar sind, desto effizienter ist die Selektion des Züchters. Heutzutage werden Zuchtmaterial und die genetischen Ressourcen anhand unterschiedlicher Deskriptoren bewertet und die Daten z. B. zur Auswahl geeigneter Kreuzungspartner, aber auch für die Entwicklung molekularer Marker für eine frühzeitige Sämlingsselektion (MAS) eingesetzt. In der Rebenzüchtung erfolgt die Erfassung der Merkmale bis heute überwiegend manuell, der Phänotyp wird mittels visueller Abschätzung klassifiziert. Dies ist sehr zeit- und personalaufwändig und deshalb nur an ausgewähltem Zuchtmaterial möglich. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die Klassifizierung anhand beschreibender Deskriptoren insbesondere bei sehr komplexen Merkmalen wie Ertrag oder Traubengesundheit nur begrenzt für die Markerentwicklung einsetzbar ist, da diese durch viele Einzelparameter und zudem sehr stark von Umwelteinflüssen geprägt werden. Der Einsatz sensor-gestützter, objektiver Methoden stellt deshalb gerade bei diesen komplexen Merkmalen und Prozessen eine Schlüsselrolle dar, um die Bedeutung einzelner Merkmale statistisch zu überprüfen und auf diese Weise neue Selektionskriterien zu entwickeln. Die Digitalisierung und der Einsatz von Sensoren spielt auch in der Landwirtschaft und im Weinbau eine immer größere Rolle. Ziel ist hier die Vernetzung von Sensoren, Maschinen und Software zur datenbasierten Unterstützung des Winzers bei der Entscheidungsfindung und für einen zukunftsfähigen Weinbau.

Die Vision der Arbeitsgruppe Phänotypisierung, Digitalisierung und Präzisionsweinbau des Instituts ist die Evaluierung und Etablierung aussagekräftiger Sensoren zur Erfassung morphologischer und physiologischer Merkmale, der Ausbau eines interdisziplinären Netzwerks zur Entwicklung automatisierter Verfahren zur robusten Datenaufnahme im Freiland, Gewächshaus und Labor, einschließlich der Datenverwaltung sowie einer effizienten Datenauswertung und statistischen Modellierung. Auf diese Weise können (1) präzise und objektive Merkmalsdaten zielspezifisch erfasst, (2) die Anzahl an evaluierten Pflanzen deutlich gesteigert, (3) die Fehlervariationen und Lücken in der Datenerhebung reduziert und (4) Daten nachträglich bewertet werden. Aus diesem Geflecht ergeben sich neue Möglichkeiten einer effizienten Pflanzenbewertung, welche die Selektion und somit die Effizienz der Rebenzüchtung steigert und diese um mehrere Jahre beschleunigt.

Basierend auf den am Institut bereits abgeschlossenen/durchgeführten Projekten CROP.SENSe.net (Entwicklung von Methoden) und PHENOvines (Anwendung von Methoden und Aufbau einer selbstfahrenden Phänotypisierungsplattform PHENObot) besteht der Arbeitsbereich Phänotypisierung seit dem Jahr 2010. Im Jahr 2017 erfolgte die Etablierung einer zweiten Phänotypisierungsplattform (Phenoliner). Der Grundstein für eine Hochdurchsatzphänotypisierung unter kontrollierten Gewächshaus- bzw. Laborbedingungen wurde mit dem Aufbau einer automatisierten Phänotypisierungspipeline zur Erfassung der 3D Traubenarchitektur sowie Beerenoberflächenwiderstand und eines Hyperspektralkamerasystems gelegt.
Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe sind Ertragsparameter, Pflanzengesundheit, Grundlagen für die Traubengesundheit, insbesondere Traubenarchitektur, Beerenhauteigenschaften und Botrytis, Falscher Mehltau, abiotischer Stress und Rebenvitalität sowie die Phänologie der Reben.
Seit 2019 existiert eins der vom BMEL geförderten Experimentierfelder (www.digivine.org) am Institut mit dem Schwerpunkt die Arbeiten in Richtung Präzisionsweinbau voranzutreiben.