Potentiale von Laserscannern zur Phänotypisierung von Pflanzen für den Einsatz im Hochdurchsatz-Screening

Abstract

Die Züchtung hochertragreicher Pflanzen ist von essentieller Wichtigkeit für die Ernährung der Weltbevölkerung. Diese Züchtung geht einher mit einer genauen Analyse der Interaktion zwischen pflanzlichem Genom und Umwelteinflüssen, die gemeinsam den Phänotyp der Pflanze bilden.<br /> Phänotypisierung beschreibt den Vorgang der Vermessung, um die Größe von Pflanzen, Wachstum, Leistungsfähigkeit, Architektur und Zusammensetzung mit einer bestimmten Genauigkeit in verschiedenen Skalen mit verschiedenen Sensoren, vom Organ bis hin zum Bestand zu bestimmen. Ein neuer Sensor in diesem Feld ist der Laserscanner. Durch Laserscanning lässt sich die dreidimensionale Geometrie der Pflanzenoberfläche vermessen. Das Ergebnis ist eine punktweise Beschreibung der 3D-Koordinaten auf der Oberfläche. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Genauigkeit der Lasermessungen mit konventionellen Methoden zur Vermessung von Pflanzen verglichen. In verschiedenen Experimenten wurde die Anwendbarkeit des Sensors für die Verfolgung von Wachstum auf Pflanzen und Organebene gezeigt.<br /> Die Messung von Wachstum bedarf wiederholter Messungen in kurzen zeitlichen Abständen. Diese Messungen mit hohem Durchsatz erzeugen sehr große Datenmengen. Dabei ist die manuelle Auswertung zeit- und kostenintensiv. Durch Entwicklung einer Auswertemethode auf Grundlage von punktweisen Oberflächenmerkmalen und Support Vector Machines konnte die Segmentierung und Parametrisierung der Organe automatisiert werden. Dabei wurden verschiedene Auflösungen der Punktwolke getestet um eine sensorunabhängige Anwendbarkeit des Algorithmus zu gewährleisten. Das benutzte Lasertriangulations-verfahren beruht auf der Emittierung einer Laserlinie und der Aufnahme der Reflektion durch eine Kamera. Dies ermöglicht die Ableitung dreidimensionaler Informationen. Die Genauigkeit dieser Messung hängt unter anderem von der Interaktion des Laserstrahls mit dem pflanzlichen Gewebe ab. In verschiedenen Experimenten wurde die Interaktion mit Chlorophyll, das Eindringverhalten in die Epidermis, der Einfluss des physiologischen Stadiums, sowie die Interaktion mit Pflanzenkrankheiten (Mehltau) erörtert und quantifiziert.<br /> Das im Rahmen dieser Arbeit benutzte Lasermesssystem setzt sehr hohe Investitionskosten voraus. Daher wurden zwei alternative Low-Cost 3D-Messsysteme evaluiert. Diese Evaluierung erfolgte durch die Vermessung hochpräziser Testobjekte, sowie durch die Messung und Ableitung von phänotypischen Parametern an Getreide- und Rübenpflanzen. Es wurde deutlich, dass sich das investitionsintensive Messsystem je nach fokussiertem Parameter durch ein Low-Cost Systems ersetzen lässt.<br /> Diese Arbeit und die begleitenden Publikationen führen das Laserscanning als hochgenaues Werkzeug zur Ableitung phänotypischer Parameter bei Pflanzen ein. Die Anwendbarkeit als Ersatz zu konventionellen Messmethoden wurde gezeigt. Weiterhin wurden Methoden zur automatisierten Ableitung phänotypisch wichtiger Parameter entwickelt und evaluiert. Die Interaktion zwischen Laserstrahl und pflanzlicher Oberfläche wurde untersucht und quantifiziert. Abschließend wurden Low-Cost Systeme als Ersatz für das benutzte investitionsintensive Industriemesssystem untersucht.<br /> Laserscanning stellt ein effizientes, genaues und evaluiertes Messsystem dar, welches die Anforderungen zur Phänotypisierung von Pflanzen erfüllt und zur Bearbeitung phänotypischer Aufgaben benutzt werden kann.

<strong>Potential of laserscanners for plant phenotyping for use in high-throughput screening</strong><br /> Breeding of plants with high yield is essential for feeding future world population. Thus, breeding comes together with a detailed analysis of the interaction between plant genotype and environmental influences, which creates the plant phenotype. Phenotyping describes the act of measuring the plant to derive a measurement for size, growth, fitness, architecture and composition according to a specific accuracy at different scales with different sensors from the organ to the plot. A new sensor, the laserscanner, has been introduced in the field of plant phenotyping. Using laserscanning the three dimensional geometry of the plant surface can be measured. The result is a pointwise description of the 3D-coordinate of the surface. One part of this work is the comparison of the accuracy of the laserscanner with conventional measuring techniques. Applicability has been shown for tracking of growth on plant and organ level.<br /> Measuring of growth requires repeated measurements at short time intervals. This high throughput measuring generates huge amounts of data. Manual analysis is time intensive and costly. By developing an analysis method using pointwise surface features and support vector machines the process of segmentation and parameterization of plant organs could be automated. Different scan resolutions have been tested to proof a sensor independent usability.<br /> The technique of laser triangulation uses an emitted laser line and the recording of its reflection by a camera. This enables the derivation of three dimensional information (laser triangulation). The accuracy of this measurement is affected by the interaction between laser ray and plant tissue. Different experiments show and quantify the interaction with chlorophyll, the penetration of the laser into the epidermis layer, the influence of the physiological state of the plant as well as the interaction with plant diseases (mildew).<br /> The used laserscanning system requires high invocation cost. Therefore alternative low-cost methods have been evaluated. This evaluation was performed by measuring highly accurate test specimen, as well as measuring and derivation of phenotypic parameters from cereal and sugar beet plants. It was shown that an expensive measuring system could be replaced, depending on the focused parameter, by a low-cost system.<br /> This work and accompanying publications introduce the laserscanner as a highly accurate tool for the derivation of phenotypic parameters from plants. The applicability as a replacement for conventional measuring systems has been shown. Furthermore, methods for the automated derivation of phenotypic parameters have been developed and evaluated. The interaction between laser ray and plant tissue has been evaluated and quantified. Finally low-cost sensors have been analyzed as an alternative for the expensive industrial measuring system.<br /> Thus, laserscanning depicts an efficient, accurate and evaluated measuring system that meets the requirements of plant phenotyping to solve phenotypic tasks.