"Dit is een uniek mobiel platform. Er zijn wel soortgelijke geïntegreerde fenotyperingsplatforms, maar deze kan echt met ons mee naar werkelijke teelomgevingen," zegt Tuomo Laine, Specialist en Doctoraal Onderzoeker bij Luke.
Samen met zijn collega's, Alexey Shapiguzov, Satu Engström en Titta Kotilainen, werkt Tuomo in Finland aan een innovatief mobiel fenotyperingsplatform dat helpt om de communicatie van planten ter plekke beter te begrijpen. Het systeem, ontwikkeld door Senior Scientist Alexey Shapiguzov van het Natural Resources Institute Finland (Luke), in samenwerking met Photon System Instruments (PSI) uit Tsjechië en SMO uit België, brengt het beeldvormingslaboratorium rechtstreeks naar de kassen. Dit nieuwe systeem biedt geavanceerde technologieën om de gezondheid, fysiologie en efficiëntie van planten te monitoren.
In de zomer van 2023 werd het systeem geïntroduceerd op Luke's tuinbouwonderzoeksstation in Piikkiö, Finland, en wordt sindsdien het hele jaar door gebruikt in Finse kassen. Het biedt onderzoekers en telers waardevolle inzichten in hoe planten reageren op licht, stress en omgevingsfactoren in een echte kasomgeving. Het platform maakt het mogelijk om planten beter te begrijpen en zo te zorgen voor optimalisatie van hun groei en gezondheid.
© Jarkko Mikkonen
Alexey Shapiguzov en Titta Kotilainen zetten fotosynthesecontrole op in de komkommerteler
Verbeteringen in de beeldvorming van planten
Tuomo legt uit dat het mobiele fenotyperingssysteem drie geavanceerde beeldvormingstechnieken combineert die samen een gedetailleerd overzicht van de plantgezondheid bieden. De 12,36-megapixel RGB-camera legt gedetailleerde beelden vast van de morfologie en kleur van de plant. Dit stelt onderzoekers in staat om de groeidynamiek te volgen, verkleuringen te detecteren, de gezondheid van de plant te evalueren en veranderingen te analyseren die kunnen wijzen op stress.
Daarnaast is het systeem uitgerust met een thermische beeldvormingseenheid: een InfraTec-camera met een thermische gevoeligheid van 20 mK en een IR-resolutie van 1024 x 768 pixels. Deze camera meet de temperatuur van bladeren en bladerdaken, waardoor onderzoekers patronen in transpiratie, stomatale geleiding en watergebruik kunnen ontdekken. Het biedt de mogelijkheid om vroegtijdige signalen van watertekort, hitte- of droogtestress, en zelfs biotische stress en ziekten te identificeren, vaak nog voordat visuele symptomen zichtbaar zijn.
Geavanceerde technologie voor gedetailleerde fotosynthese-analyse
Volgens Tuomo is het meest geavanceerde aspect van het mobiele systeem de chlorofylfluorescentiebeeldvormingsmodule. Deze module bevat de FluorCam, die twee verwisselbare camera's heeft, beide ontwikkeld door PSI. De TOMI-2 is een hogeresolutiecamera die klassieke PAM (pulse amplitude modulation)-analyses mogelijk maakt, terwijl de TOMI-3 een ultrasnelle camera is die metingen met een hoge framerate van flitsgeïnduceerde fluorescentie ondersteunt. Deze geavanceerde technologie biedt onderzoekers direct inzicht in hoe lichtenergie door het fotosynthetisch apparaat van de plant stroomt, wat hen helpt de efficiëntie van de omzetting van licht naar biochemische energie beter te begrijpen.
Het platform is in staat om een breed scala aan gespecialiseerde analyses uit te voeren, waaronder lichtresponscurves, quenchinganalyses, metingen van fotosynthetische toestandsovergangen, stressgeïnduceerde foto-inhibitie en O(J)IP-beeldvorming. Dit biedt zeer gevoelige gegevens over acclimatisatieprocessen binnen de fotosynthetische machinerie en stressniveaus bij planten.
"De geïntegreerde TOMI-3 technologie alleen al is een unieke innovatie," benadrukt Tuomo. "Ons nieuwe mobiele systeem maakt het mogelijk ultrasnelle flitsgeïnduceerde beeldvorming uit te voeren, waardoor we geavanceerde 'vingerafdrukken' van fotosynthese kunnen vastleggen, terwijl we ons vrij kunnen verplaatsen."
© Alexey Shapiguzov
Unieke zijwaartse beeldvorming maakt analyse van fotosynthetische lichtreacties in teeltomgevingen mogelijk.
Flexibiliteit in fenotypering: Van tomaten tot frambozen
Luke werkt nauw samen met Finse commerciële telers om het mobiele fenotyperingsplatform te testen en te valideren voor gewassen zoals tomaten en komkommers. Het team gebruikt liften in de kassen om fotosynthesemetingen op bladniveau vast te leggen. Deze directe metingen zijn een aanvulling op analyses van losse bladeren, die vaak niet de juiste nauwkeurigheid bieden, vooral voor planten met een hoog weefselwaterpotentieel, zoals komkommers.
"In het begin gingen we met het systeem naar het bovenste bladerdek, dat overigens meer dan 300 kilo weegt," vertelt Tuomo Laine. "Tot onze opluchting gaven losse tomatenbladeren ons echter zeer vergelijkbare data, wat het in de praktijk een stuk eenvoudiger maakt."
De flexibiliteit van het systeem gaat echter verder dan alleen tomaten en komkommers. Het modulaire ontwerp maakt het ook mogelijk om zijdelingse beelden van gewassen te maken, wat het platform geschikt maakt voor hogere gewassen, zoals frambozen. Dit is bijzonder relevant voor het promotieonderzoek van Laine. "Zijdelingse chlorofylfluorescentie-beeldvorming is een andere unieke eigenschap van het platform," zegt hij. Het team ontdekte dat de fotosynthetische eigenschappen van verschillende frambozenrassen aanzienlijk kunnen verschillen, zelfs als ze vergelijkbaar groeien. Deze ontdekking benadrukt het potentieel van het platform in veredelingsprogramma's, waar inzicht in de fysiologische prestaties van een plant net zo waardevol kan zijn als de uiterlijke kenmerken.
© Titta Kotilainen
Bij tomaten vertoonden vers verwijderde bladeren op een vochtig oppervlak een fotosynthetische activiteit die vergelijkbaar was met die van intacte bladeren. Deze bevinding bevestigt de nauwkeurigheid van de metingen die met het mobiele fenotyperingsplatform worden uitgevoerd, zelfs wanneer de bladeren niet direct aan de plant verbonden zijn. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor het analyseren van fotosynthetische prestaties zonder de noodzaak om bladeren uit de kas te halen, wat de efficiëntie van het onderzoek aanzienlijk verhoogt.
Voordelen voor telers en veredelaars
De waarde van dit systeem reikt verder dan onderzoekers alleen. Het biedt praktische voordelen voor veredelaars en telers. In veredelingstests heeft het Luke-team variaties in fotosynthetische efficiëntie bij verschillende genotypes kunnen identificeren, zoals bij framboos, fababoon, haver en aardappel. Ze hebben ook thermische en fluorescentiebeelden gebruikt om te vergelijken hoe verschillende plantenvariëteiten reageren op uiteenlopende omgevingsbehandelingen, zoals overmatig licht of waterverzadiging.
Commerciële kastelers, vooral in het uitdagende seizoensklimaat van Finland, halen ook voordeel uit het systeem. Het team werkt samen met telers die experimenteren met verschillende LED-lichtspectra en belichtingsscenario's in hun kassen. Hiermee kunnen onderzoekers de impact van verschillende belichtingsomstandigheden op stressniveaus, groei en hulpbronnengebruik beoordelen. Deze resultaten kunnen telers helpen om de lichtniveaus te optimaliseren en de energie-efficiëntie te verbeteren, wat steeds crucialer wordt vanwege de stijgende en schommelende energiekosten.
"In de donkere winter van Finland gedragen planten zich compleet anders dan in de zomer," zegt Laine. "Ons doel als staatsonderzoeksinstituut is om Finse telers te ondersteunen met datagestuurde beslissingen over hun kasomgeving en dynamische lichtschema's, vooral gezien de huidige energiekosten."
© LUKE
Naar commercialisering
Momenteel biedt Luke het fenotyperingsplatform aan als onderdeel van gezamenlijke onderzoeksprojecten en werkt nauw samen met PSI om het systeem verder te verfijnen en verbeteren. Hoewel het platform nog steeds een prototype is, zou een commerciële versie uiteindelijk waardevol kunnen zijn voor een bredere gebruikersgroep.
"We ontdekken nog steeds hoe we ons beeldvormingsplatform het beste kunnen inzetten," zegt Laine, "maar het levert al veel inzichten op over hoe planten zich aanpassen aan verschillende groeiomgevingen en hoe we telers kunnen helpen met hun efficiëntie- en duurzaamheidsdoelstellingen."
Voor meer informatie:
Natural Resources Institute Finland (Luke)
Tuomo Laine, Specialist & Doctoraal Onderzoeker
Alexey Shapiguzov, Senior Wetenschapper
Satu Engström, Wetenschapper & Doctoraal Onderzoeker
Titta Kotilainen, Onderzoeksprofessor
