Met de scanner in terra incognita: Hoe kun je wortels zien groeien?

De diepten van de oceaan zijn waarschijnlijk beter verkend dan het fijn vertakte wortelstelsel van planten onder de grond. Het zijn de wortels die beslissen hoe goed maïs, bieten of andere planten water of voedingsstoffen uit de grond opnemen. En daarmee deels hoeveel water of mest de boer moet geven. De wortels zijn dan ook een belangrijke factor in de veredeling van droogtetolerante of stikstofefficiënte in nieuwe rassen.

Hoe goed kunnen planten met stress overweg?

Op de onderzoeksafdeling van KWS leggen de Australiër Benjamin Gruber en zijn collega's uit hoe de groei van wortels geobserveerd, beoordeeld en gekwantificeerd kan worden. Hij heeft als doel honderden planten in korte tijd te testen op hoe goed ze met abiotische stress zoals droogte of een gebrek aan voedingsstoffen overweg kunnen. Dit is één van de voorwaarden voor het identificeren van nieuwe genen in planten die voor zekere opbrengsten en droogtetolerantie zorgen. Beide zijn belangrijke veredelingsdoelen bij KWS.

Het belang van wortels en hun groei gedetailleerd observeren moet zeker niet worden onderschat: onder een vierkante meter graanveld bevinden zich al snel 50 tot 90 kilometer aan wortels (bij maïs is dat ongeveer 40 tot 60 kilometer en bij suikerbieten 20 tot 50 kilometer). De wortels van suikerbieten gaan tot zo'n vijf meter diep de grond in. De fijnste wortelhaartjes zijn behoorlijk dunner dan een mensenhaar. Hoe kun je je daarvan een goed beeld vormen?

Graven, spoelen en meten

Een bij maïs beproefde benadering is de relatief eenvoudige, zogenoemde Shovelomics-benadering: de plant wordt met wortels en al bij dit "graafonderzoek" gewoon uitgegraven en vervolgens wordt de aarde grondig afgespoeld. Hierna kan de wortel met camera's en software optisch worden gemeten. Uit de vele afbeeldingen berekenen specialisten in beeldanalyse en bio-informatici vervolgens het aantal en de dikte van de wortels of hun hoek ten opzichte van de steel van de plant.

"KWS werkt momenteel aan nieuwe instrumenten waarmee de wortelgroei op grote schaal kan worden vastgelegd. We testen nieuwe procedures en verfijnen procedures die goed werken. Later moeten we begrijpen welke planten met welke genetische structuur in welke grond groeien en met welke voedingsstoffen en watertoevoer", zegt Gruber. Dat kost tijd en geld. Het zijn beide investeringen in de toekomst van een bedrijf dat al meer dan 160 jaar bestaat en telers ook variëteiten met hoge opbrengsten kan blijven aanbieden. Het familiebedrijf KWS geeft zo'n 17 procent van de omzet uit aan onderzoek.

Veredeling vereist nauwlettende observatie

Het nauwkeurig observeren van planteneigenschappen, met het doel om hieruit aanwijzingen voor de veredeling af te leiden, is al zo oud als de akkerbouw zelf. De eerste boeren zaaiden bijvoorbeeld in het volgende jaar de grootste zaden van het jaar daarvoor uit. Gregor Mendel observeerde de kleur en vorm van erwten om aan de hand van de resultaten zijn erfelijkheidsleer op te stellen. Met het oog op de zichtbare en meetbare eigenschappen van planten spreken biologen van fenotypen.

De benadering van Ben Gruber is vergelijkbaar met andere fenotyperingsprojecten bij KWS. Onderzoekers van KWS verzamelen gegevens in de omgeving, hetzij met op drones gemonteerde camera's of ondergrondse scanners. De beelden worden op de computer samengevoegd en automatisch geanalyseerd om de kwekers nieuwe aanwijzingen te geven. "Dit alles moet op industriële schaal werken, in wind en regen, in modder en droogte - niet alleen in het laboratorium of met 20 planten. Plantenveredeling is altijd een kwestie van grote getallen en duizenden planten moeten worden beoordeeld", zegt Gruber voordat hij zich weer op de statistische analyse van zijn data stort.