Een kijkje nemen in de plantenwereld met de nieuwste apparatuur

In het recent geopende Netherlands Plant Eco-Phenotyping Centre (NPEC), met een vestiging in Wageningen en in Utrecht, kijken onderzoekers naar het uiterlijk en de groei van planten met een focus op de wisselwerking tussen plantgenen en de omgeving. Van klimaatcel en kas tot veld, is het fenotypisch onderzoek in al zijn facetten uit te voeren.

Het uiterlijk, ofwel fenotype, van de plant wordt bepaald door zowel de genen als de omgeving. Verschillende invloeden in de omgeving, zoals andere organismen of voeding, maar ook weersomstandigheden en de pH van de bodem bijvoorbeeld, beïnvloeden de groei van de plant. Het nieuwe NPEC biedt aan onderzoekers de mogelijkheid om deze omstandigheden te onderzoeken op verschillende schalen: van molecuul tot gewas en van nanometer tot kilometer. “Met als doel om te meten hoe gewassen in staat zijn om te gaan met klimaatverandering, om zo uiteindelijk ontwikkelingen te versnellen voor de voedselzekerheid in de toekomst”, aldus Chief Technology Officer Rick van de Zedde. In Wageningen staan klimaatcellen met camera’s en robots, plus een volledig geautomatiseerde kas en daarnaast een proefveld met drones en veldrobots. In Utrecht ligt de focus van NPEC op experimentele manipulatie van het ecosysteem van de plant en op de interactie met het plantmicrobioom. Afgelopen september 2023 opende deze tweede vestiging van NPEC op het Utrechtse Science Park, een jaar eerder was de vestiging op de Wageningen campus gereed.

Nieuwste technieken

Van de Zedde: “Het nieuwe centrum geeft zowel nationale als internationale onderzoekers de mogelijkheid gebruik te maken van de nieuwste plant analysetechnieken, met hoge precisie en een hoge verwerkingscapaciteit. Uniek is dat bijna alles in de kassen automatisch gebeurt: robotarmen bewateren de planten, verschillende typen camera’s schieten beelden, temperatuur en luchtvochtigheid worden automatisch gereguleerd. Deze nieuwe methodes zijn non-destructief, zodat de planten niet kapotgemaakt hoeven te worden voor de metingen. Een ingebouwd transportbandsysteem kan in de Wageningse kassen in totaal 1.120 planten vervoeren naar imaging kasten met een scala aan geavanceerde camera’s. Daarnaast zorgen watering stations voor individuele bewatering op basis van het gewicht.” Naast het NPEC-centrum liggen proefvelden waar praktijkonderzoek met planten direct uitsluitsel kan geven, met behulp van drones en de TraitSeeker, een voertuig met camera’s. De ontdekte planteigenschappen in de kassen kunnen zo direct in het veld uitgetest worden.

De nieuwste analysetechnieken hebben een hoge precisie en hoge verwerkingscapaciteit”

Transportbanden

In de Wageningse kas van NPEC, gebouwd door Bosman – van Zaal, staan geautomatiseerde robotsystemen centraal voor het in kaart brengen van het fenotype van de plant. Van de Zedde vervolgt: “Dit zijn de WIWAM-systemen, ofwel Weighing, Imaging & Watering Machines, die zijn ontwikkeld door SMO. Voor elke plant of elke groep planten bepalen de vooraf ingestelde waarden op welk moment beelden geschoten worden van het uiterlijk van de plant of wanneer er irrigatie plaatsvindt. Hiervoor maken we gebruik van de conveyor, waarbij een in de kas ingebouwde transportband de planten naar een weeg- en bewateringssysteem brengt of naar een beeldcabine met roterend platform. In de beeldcabine worden beelden geschoten met 3D of hyperspectrale camera´s, die tientallen tot honderden spectrale banden voor elke pixel in beeld kan brengen. Andere cabines zijn bedoeld voor een fluorescentie analyse op basis van het kleurpigment chlorofyl (bladgroen). De transportbanden vervangen veel manuele handelingen, vergroten het aantal planten in een experiment, en versnellen het verkrijgen van inzichten in het plantenonderzoek.”

3D-beelden van planten

Verschillende 3D- imaging technieken kunnen in de beeldcabines, waar de planten naartoe gebracht worden vanaf de transportband, toegepast worden. Een van de nieuwere technieken is de MAXI-Marvin, ontwikkeld door Wageningen University & Research onder andere binnen het Europese project European Plant Phenotyping Network (EPPN). “Hiermee kunnen 3D-beelden van grote planten tot 70 cm in beeld worden gebracht. De grootte van bladeren en stengels, en de plantarchitectuur als geheel, brengen 15 camera’s rondom de plant in milliseconden in beeld. De segmentatie van bladeren en bloemen is daarbij goed zichtbaar, dus de onderdelen waar het uit is opgebouwd. Daarnaast zijn er ook beeldcabines voor RGB/3D hyperspectral of fluorescentiemetingen. Door de geautomatiseerde beelddetectie kan onderzoek sneller, op grotere schaal en niet-destructief plaatsvinden, in vergelijking met de ouderwetse methode: handmatig en selectief kapotmaken van de planten om bijvoorbeeld de biomassa en inhoudsstoffen te bepalen”, aldus Van de Zedde.

Beelden schieten in het veld

In de Wageningse proefvelden kunnen drones de temperatuur van het blad meten, of de hoogte van de plant, van bijvoorbeeld aardappelen of quinoa. Hyperspectrale camera’s op de TraitSeeker, geleverd door het bedrijf CropTraits, brengen symptomen van zieke planten in kaart. Dit is een zelfrijdend, GPS-gebaseerd apparaat met camera’s aan de onderkant. Een hoge resolutie 2D RGB-camera en een 3D LiDAR- sensor maken continue beelden van alle planten die het tegenkomt in een breedte van 120 tot 180 cm en tot 120 cm hoog onder het cabinet. Daarnaast is de TraitSeeker uitgerust met twee spectrale camera’s die meerdere lichtgolfspectra, van 400 tot 1000 nanometer en van 1100 tot 1700 nanometer, vastleggen. De combinatie van de 3 typen beelden (RGB, spectraal en 3D) geeft een 3D-puntwolk met veel informatie over de plantstructuur, vorm en gezondheid.
Bij frequent gebruik in het open veld krijgen onderzoekers zo een mooi beeld van de plantengroei en kenmerken over de tijd. Daarnaast legt een ingebouwde GPS/INS unit de locatie en helling vast. “We krijgen op deze manier 10 keer zoveel data dan met de traditionele metingen in het veld”, aldus Joseph Peller, onderzoeker Spectral Imaging van Wageningen University & Research. “Het kostte voor deze ontwikkeling enkele jaren om dezelfde hoeveelheid data te verzamelen. Dit maakt ons dus veel flexibeler in het oplossen van de uitdagingen rond voedselzekerheid en klimaatverandering.”

De TraitSeeker verzamelt 10 keer zoveel data dan traditionele veldmetingen”

Klimaatcontrole

De onderzoekscentra bieden ook ruimte aan het nabootsen van de omgeving van de plant in zogenoemde Ecotrons, een afgesloten verticale buis, waar de omgevingscondities van planten goed in de gaten kunnen worden gehouden. In Utrecht zijn 36 van zulke micro-communities geïnstalleerd, waar zowel boven- als benedengronds het natuurlijke ecosysteem wordt nagebootst. Er zijn twee modellen ontwikkeld in samenwerking met het Duitse UGT Umwelt-Geräte-Technik (UGT), een standaardmodel uitgerust met regulatie van de luchttemperatuur en meerdere sensoren en een tweede klimaatcontrolemodel voor precisiemetingen, echte mini-regenbuien en controle van de duur van daglicht. In laatstgenoemde kan bovengronds de temperatuur en luchtvochtigheid met een klimaatcontrole systeem gereguleerd worden. Ondergronds kunnen de onderzoekers met buisjes gemakkelijk bodemmonsters afnemen of bepaalde substanties in de bodem brengen. Sensoren meten de bodemomstandigheden, bijvoorbeeld de zuurgraad en moleculaire samenstelling. Valérian Méline, manager van NPEC Utrecht, licht de positie van de Ecotron-module binnen NPEC toe. Méline: “De Ecotron verbindt het veld met de labexperimenten. We kunnen er de complexiteit van realistische omstandigheden nabootsen in gesloten eenheden, waarbij alle aspecten gecontroleerd en gemeten kunnen worden. Dit stelt ons in staat om bijvoorbeeld te onderzoeken hoe landbouw- en natuurlijke ecosystemen reageren op toekomstige milieuomstandigheden, zoals minder regenval en hogere temperaturen.”

Verder kijken onderzoekers in Utrecht ook naar microben-plant interacties, door met robotsysteem HADES de fluorescentie-eiwitten en metabolieten in de wortels te meten. HADES kan meer dan 10.000 zaailingen op meer dan 2.000 petrischalen automatisch samplen, inzaaien, vernaliseren (een koudeperiode toepassen) en stratificeren. De beeldtechniek van HELIOS wordt in Utrecht gebruikt om, met 3D laserscanning, beelden te maken van planten die blootgesteld worden aan ziekteverwekkers. HELIOS kijkt daarbij specifiek naar de plantenstengels en betrokken micro-organismen zoals bacteriën en schimmels. Tenslotte zijn er 15 klimaatkamers waarmee de omstandigheden zodanig gereguleerd kunnen worden dat de invloeden van de omgeving op de plant onderzocht kunnen worden.

Kortom, onderzoekers zullen met NPEC zeker bij gaan dragen aan meer kennis over de plant in interactie met zijn omgeving. De faciliteiten van NPEC zijn ook beschikbaar voor andere academische onderzoekers en voor de bedrijven waarmee wordt samengewerkt.

Financiering

Het NPEC kwam tot stand door subsidie van de Nederlandse Organisatie van Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het project ontving 11 miljoen euro subsidie in 2018 binnen het onderzoeksprogramma National Roadmap for Large-Scale Scientific Infrastructure, gecombineerd met een investering vanuit Wageningen University & Research (WUR) en Utrecht Universiteit (UU). De totale investeringen voor de Wageningse en Utrechtse NPEC samen komt neer op meer dan 22 miljoen euro. Meer informatie vind je op: www.npec.nl