Dem Pilz auf der Spur

Ein Kasten hängt an einer blauen, dürren Stahlkonstruktion auf Gummirädern und filmt Zuckerrüben. Eine andere Apparatur steht auf einem Gefährt in der Größe eines Servierwagens und richtet einen Laser auf die Blätter. Diese Aufbauten auf einem Feld nahe dem bayerischen Ort Plattling stehen für die Suche nach der Lösung eines folgenschweren Problems: die Infektion von Zuckerrübenblättern mit der Blattfleckenkrankheit Cercospora.

Erkennen und bekämpfen Landwirte diesen Pilz nicht früh genug, droht schnell der Verlust eines Großteils der Zuckerrüben auf einem Feld, sagt Physikerin Dr. Ulrike Willer von der TU Clausthal. Um dies zu verhindern, haben sich mehrere Unternehmen und Forschungseinrichtungen (siehe Infokasten) zusammengeschlossen. Ihr Ziel ist, „eine große Zahl Pflanzen auf einem Feld automatisch zu testen, so den Befall frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig zu reagieren“, wie Projektleiter und Physiker Christoph Bauer von KWS erklärt.

Verfahren der TU Clausthal

Die TU Clausthal setzt auf den Einsatz eines speziellen Lasers mit einem für das Auge nicht sichtbaren Infrarotstrahl. Ein automatisiertes Bewertungsverfahren soll die Früherkennung von Cercospora ermöglichen. Die Vorgehensweise:

• Mit dem Laser werden die Blätter der Zuckerrüben angeleuchtet. „Bei bestimmten Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich werden die befallenen Blattareale anders erwärmt als die gesunden“, erklärt Willer.
• Eine Infrarotkamera filmt das beleuchtete Blatt der Pflanze, misst auf diesem Weg die Temperatur und speichert die Werte.
• Am Ende soll der Befall einer Pflanze durch die Wärmebildkamera sichtbar werden – bevor das menschliche Auge die Infektion erkennen kann.

Verfahren des Forschungszentrums Jülich

Das Forschungszentrum Jülich verfolgt einen anderen Ansatz: Dessen System LIFT rückt die Fotosynthese der Blätter in den Mittelpunkt, genauer: die sogenannte Blattfluoreszenz, erklärt der Jülicher Phänotypisierungsexperte Dr. Onno Muller:

• Die Fotosynthese, also die Umwandlung der Sonnenlichtenergie und des Gases Kohlendioxid in chemische Energie in Form von Zucker, beginnt in der Pflanze, indem der Pflanzenfarbstoff Chlorophyll Licht einfängt.
• Währenddessen wird ein Teil der von der Pflanze eingefangenen Energie wieder freigegeben und zurückgestrahlt. Dieses „Leuchten“ nennt sich Chlorophyllfluoreszenz.
• Die Forscher aus Jülich zeichnen das Leuchten mit dem Lift-Sensor auf. Die Annahme: Ist ein Bereich des Blattes mit Cercospora infiziert, dann beeinflusst das die Fotosynthese in diesem Areal. Da die Chlorophyllfluoreszenz eng mit der Effizienz der Fotosynthese verbunden ist, könnte ein verändertes Leuchten auf den betroffenen Blattbereichen auf den Schadpilz hinweisen.

Informatiker schulen künstliche Intelligenz

Während dieser ersten Messkampagne des Projekts auf rund einem Hektar Feld sammeln die Wissenschaftler beider Institutionen mit ihren zwei Versuchsaufbauten rund zwei Terabyte Daten. Hinzu kommen Wetterdaten, die für das Wachstum wichtig sind: Feuchtigkeit, Wind, Windrichtung, Niederschläge, Luftdruck und Temperatur. All diese Datensätze wertet die TU Dortmund aus und verarbeitet sie.

Im Fall der Clausthaler Messungen schauen die Dortmunder Informatiker zum Beispiel, bei welcher Wellenlänge des Lasers die an der kranken Pflanze gemessene Temperaturdifferenz am prägnantesten ist. Diesen Unterschied geben sie als Hinweis für eine Erkrankung an eine Computersoftware weiter, um ihr beizubringen, eine kranke Pflanze zu erkennen. Diesen Schritt wiederholen sie immer wieder und schulen so den Algorithmus der künstlichen Intelligenz, damit er später eigenständig feststellen kann, welche Pflanze befallen ist und welche nicht.

Wie sich die Daten der Wissenschaftler aus Clausthal und Jülich bestmöglich kombinieren lassen, zeigt sich ebenfalls in den anstehenden Auswertungen.