Verbundprojekt AVATARS nimmt Fahrt auf – Kick-off Meeting am IPK in Gatersleben

Raps ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen. Doch wie können die Erträge auch angesichts des Klimawandels hochgehalten werden? Auf der Suche nach Lösungen beschreiten Forscher und Züchter nun neue Wege mit neuesten digitalen Techniken der Datenaufbereitung und Visualisierung.

Das Verbundprojekt AVATARS, das die enormen Datenmengen aus der Wissenschaft mittels Virtual Reality (VR) aufbereiten und damit die systembiologische Forschung und die Rapszüchtungen unterstützen will, nimmt jetzt volle Fahrt auf. Die Partner – das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), die Universitäten Bielefeld und Kaiserslautern, das Unternehmen Breakpoint One und das züchterisch ausgerichtete Forschungsunternehmen NPZ Innovation (NPZi) – kommen dazu am 26. und 27. Februar in Gatersleben zu einem Kick-off Meeting zusammen.

„Wir möchten die enormen Datenmengen und die hochdimensionalen und komplexen Beziehungen zwischen den Daten über eine 3D virtuelle Darstellung zugänglich und besser nutzbar machen“, sagt Prof. Dr. Thomas Altmann vom IPK, Koordinator des AVATARS-Projektes, zu dem Vorhaben, das bis 2024 laufen soll und mit ca. sieben Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert werden soll. „Letztlich wollen wir untersuchen, welche Erbgut- und Umweltfaktoren dafür verantwortlich sind, dass Rapspflanzen Samen mit hoher und niedriger Qualität, also Vitalität und Keimfähigkeit, erzeugen“, sagt Prof. Dr. Altmann. „So

hoffen wir, Vorhersagen zu den Leistungen der Pflanzen und den Eigenschaften ihrer Samen treffen zu können.“ Für die Züchter geht es konkret darum, bessere Möglichkeiten zur Auswahl von Linien mit vorteilhaften Eigenschaften wie hohem Ölertrag und guter Keimfähigkeit zu bekommen.

„Raps ist eine der bedeutendsten Quellen für pflanzliches Öl in Europa. Das macht die Forschung zur Rapszüchtung so wesentlich. Und das AVATARS-Projekt ist ein besonders faszinierendes Beispiel dafür, was künstliche Intelligenz in der Pflanzen- und Kulturpflanzenforschung ermöglicht“, erklärt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek (CDU). „Mit AVATARS kann die gesamte Entwicklung vom Rapssamen bis zur Pflanze am Computer simuliert werden. Die Auswertung der dabei gesammelten Daten liefert uns wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich unterschiedliche Umweltbedingungen auf die Samenentwicklung auswirken“, sagt die Ministerin. „So lassen sich Rapssorten noch besser an neue Umweltbedingungen anpassen. Diese Forschung gewinnt vor allem angesichts des Klimawandels enorm an Bedeutung. Denn wir brauchen weiterhin sichere Ernten.“

Bereits im vergangenen Jahr starteten großangelegte Feldversuche mit 400 Zuchtlinien. „Davon wählen wir dann 40 Linien aus, die in den folgenden Jahren am IPK in der Pflanzenkulturhalle kultiviert werden“, erklärt Prof. Dr. Altmann. Dort werden dann an Hand aktueller Wetterdaten zwei Anzuchtumwelten simuliert – einmal mit eher günstigen, einmal mit eher ungünstigen Einflüssen auf die Samenentwicklung. Gleichzeitig werden bei drei der Linien die molekularen Prozesse untersucht, um den Zusammenhang zwischen diesen und der Ausprägung der äußeren Merkmale besser zu verstehen. Mit Hilfe von Virtueller Realität soll dann versucht werden, die komplexen Zusammenhänge für Züchter und Wissenschaftler leichter zugänglich und erfassbar zu machen.

Die Projektpartner haben dabei unterschiedliche Schwerpunkte. Die Wissenschaftler der Universität Bielefeld versuchen Regulatoren in den Zellen zu identifizieren, die dafür sorgen, dass in der Pflanze bestimmte Prozesse ablaufen. Die Forscher aus Kaiserslautern arbeiten an verbesserten Vorhersageverfahren für wichtige Merkmale – ein Punkt, der für die Züchter von großer Bedeutung ist. Am IPK versuchen die beteiligten Wissenschaftler, durch Anzucht in der Pflanzenkulturhalle, die molekulare Analyse und die Untersuchung der Strukturen mit modernsten, nichtinvasiven Methoden wie der Magnetresonanztomographie ein besseres Verständnis der Stoffwechselströme zu gewinnen.

Die NPZi, die das Projekt gemeinsam mit dem IPK initiiert hat, stellt eigenes Zuchtmaterial und große Mengen genomischer sowie digitaler phänotypischer Daten als Input für die Entwicklung der Vorhersageverfahren zur Verfügung. Die NPZi wird darüber hinaus die entwickelten Methoden und Ergebnisse im praktischen Einsatz testen und damit einen ersten Wissenstransfer in die Praxis leisten.

Breakpoint One aus Berlin nutzt seine Erfahrungen aus dem Real Time 3D Gaming für die Visualisierung dieser Daten mit Hilfe der Virtuellen Realität. „Dabei ist das Ziel, die komplizierten Vorgänge verständlicher zu machen – für die Wissenschaft, aber auch für die Öffentlichkeit“, betont Prof. Dr. Altmann. Das VR- basierte Spiel „Plant Journey“, das bereits 2019 auf der IdeenExpo in Hannover vorgestellt wurde und Schülerinnen und Schülern ermöglicht das Innenleben und die Lebensprozesse einer Pflanze zu erkunden ist ein erstes Beispiel dafür.

(Autor: Christian Schafmeister / IPK)

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