G+E=P

Veredeling is zeker niet alleen een bezigheid bij grote bedrijven en multinationals met een grote, internationale marktpositie en een breed sortiment. Zo lees ik in het vakblad voor de Bloemisterij nummer 3.

Op bedrijven waar veredeling geen hoofdzaak is maar veel meer een liefhebberij schakelen telers adviseurs-veredelaars in. Een ieder die zich bezig houdt met veredelen weet dat dit een weg is van lange adem en veel geduld. Om nieuwe rassen te ontwikkelen worden grote aantallen planten beoordeeld om de beste planten te kunnen selecteren. Veredelaars willen graag genen vinden die een betere smaak of houdbaarheid opleveren, of die de opbrengst of sierwaarde verhogen. Deze genen kunnen dan in andere genotypen worden ingekruist om zo betere rassen te maken. Dit is een zeer intensief en kostbaar proces en de veredelaar is dan ook continu op zoek naar nieuwe en betere manieren om hun plantmateriaal te meten, karakteriseren en selecteren. Vele jaren ging alle aandacht uit naar moleculaire technieken. 

Computer
Iedereen die met veredeling bezig is probeert nieuwe rassen te ontwikkelen. Daarvoor worden veel kruisingen gemaakt welke vervolgens moeten worden gezaaid. Vervolgens moeten de nakomelingen worden beoordeeld. Dit beoordelen is nu nog vaak mensenwerk. Zou het niet handig zijn hiervoor de computer in te schakelen?
Na enig zoeken op onze eigen website kom ik een aantal interessante dingen tegen die ik u niet wil onthouden. Zo hebben onderzoekers van ons bedrijfsonderzoek gedaan naar de mogelijkheden planten in de kas te meten met behulp van computer beeldanalyse. In de plantenverdeling worden jaarlijks grote aantallen planten waargenomen, met als doel die genotypen te vinden die optimaal functioneren in een bepaalde omgeving. Ik vraag mij af of het mogelijk is om snel, automatisch en objectief planteigenschappen te kunnen meten.

Digitale fenotypering
Nu ligt het voor vrijwel elke veredelaar binnen bereik om voor een gering bedrag duizenden moleculaire merkers te bepalen. De volgende bottleneck is hoe de planten zelf zo goed en snel mogelijk te beoordelen (fenotyperen) en hoe inzicht te krijgen in de relatie tussen de moleculaire merkers en het fenotype.
Digitale fenotypering met behulp van computer-beeldanalyse is één van die methoden. Om planten goed te kunnen meten met een camera, is het belangrijk dat de camera de plant wel goed kan zien. Bij hoog opgaande gewassen zoals bijvoorbeeld paprika is dat lastig, want ze worden wel 3 meter hoog en groeien dicht op elkaar in de kas aan draden. Je kunt ze dus niet makkelijk even naar een camerasysteem brengen. Om toch in de kas zelf de planten goed te kunnen meten is in het EU-project SPICY een speciale machine (SPY-SEE) ontwikkeld. Het SPY-SEE platform kan tussen de rijen van de kas bewegen en bevat maar liefst 12 camera's. Uit de combinatie van de beelden van deze camera's kan een 3D reconstructie van de plant worden gemaakt. Met behulp van computerbeeldanalyse kunnen de individuele bladeren van een plant in 3D worden gevonden en kan bijvoorbeeld grootte en vorm van het blad worden gemeten. 

Meetkast Robin
Veredelen is een ingewikkeld samenspel van genen en de omgeving. Dit samenspel bepaalt de eigenschappen van een plant dus hoe meer data over de plant en de omgeving waar deze in groeit hoe beter. Ik schreef al eerder over de realisatie van een Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre (NPEC). In dit nieuwe centrum zal aan het bovengenoemde samenspel onderzoek plaatsvinden. Met de daar opgedane kennis hopen onderzoekers bijvoorbeeld weerbare sla te kweken of zoutresistente aardappels. Op dit moment beschikken we over een mobiele meetkast met sensoren die zeer nauwkeurige metingen aan planten kunnen doen. Zo kan de fotosynthesecapaciteit, het aantal bladeren en het oppervlak en de kleur van de plant worden gemeten. Deze meetkast die de naam Robin heeft gekregen markeert de start van het NPEC. 
In dit centrum kunnen onderzoekers planten onder verschillende milieuomstandigheden bestuderen. Dat kan met Robin, waar planten handmatig 1 voor 1 ingezet moeten worden. Over enige tijd is ook in dienst grote broer, de Robin 2, waar planten volautomatisch op een lopende band doorheen gaan. Daarnaast komen er geavanceerde klimaatcellen, een onderzoekskas en drones om het effect van omgevingsfactoren op allerlei gewassen te meten. Het zal nu niet meer zo lang duren voordat dit centrum klaar is en plantwetenschappers gebruik maken van deze onderzoekvoorzieningen.  

G+E=P
Het fenotyperingscentrum is samen te vatten in een formule: G+E=P. G staat voor het genotype van de plant, E voor environment. Samen bepalen die twee P, het phenotype, ofwel de verschijningsvorm van de plant. Als je planten van hetzelfde ras in verschillende klimaatzones opkweekt, krijg je vaak verschillende planten. Dus met Robin 2 kan je dan snel en goedkoop het genotype bepalen, maar weet je nog niet hoe milieuomstandigheden de ontwikkeling van planten beïnvloed. Dat is ook de reden dat NPEC kan beschikken over klimaatcellen die uiteenlopende milieuomstandigheden simuleren. Planten kunnen worden blootgesteld aan temperaturen tussen de -5 en +42 graden Celsius. Verder kunnen de lichtintensiteit en -samenstelling, het CO2-gehalte en de vochtigheid in elke klimaatkamer nauwkeurig worden gestuurd, net als de teeltomstandigheden. Daardoor kunnen onderzoekers bijvoorbeeld de consequenties van droogte en zout op de ontwikkeling van planten meten. Ook zal er een rhizotron bijkomen om het effect van milieuomstandigheden op plantenwortels te bestuderen. Hier kunnen onderzoekers bijvoorbeeld nagaan hoe verzilte bodems de wortelgroei belemmeren en hoe de kieming van zaad in de bodem reageert op kou.
Naast de klimaatkamers krijgt het fenotyperingscentrum ook een nieuwe onderzoekskas welke uit vier compartimenten bestaat waarin de belichting, het CO2-gehalte en de temperatuur afzonderlijk geregeld kunnen worden. Met behulp van meetapparatuur is het mogelijk de effecten van die afwijkende omstandigheden nauwkeurig vast te leggen. Camera's en sensoren produceren heel veel data welke verwerkt moet worden tot bruikbare informatie. NPEC is hiermee een bigdata project. Om het wiel niet opnieuw te hoeven uitvinden zijn in samenwerking met buitenlandse onderzoekcentra afspraken over de definities en parameters van fenotypering, zodat de onderzoekers alle data eenduidig kunnen vastleggen zodat we experimenten kunnen vergelijken en data kunnen hergebruiken.

Jan Willem de Vries
Wageningen University & Research
Business Unit Glastuinbouw