Die Rolle virtueller Pflanzen in der digitalen Landwirtschaft

Virtuelle Pflanzen (VP) sind computergestützte dreidimensionale (3D) Modelle von Pflanzen oder Bäumen. Ein Ansatz zur Erstellung von VP sind sogenannte funktionell-strukturelle Pflanzenmodelle (FSPM), die dazu dienen, eine genaue Pflanzenform und -architektur zu modellieren und sie mit physiologischen Prozessen zu verbinden. Statische oder dynamische FSPM sind etablierte Verfahren, die als vielseitige Werkzeuge zur Vorhersage von Wachstumsmustern von Pflanzenkulturen in Reaktion auf Veränderungen in den Umweltbedingungen dienen. Mit VP kann das Wachstum von Pflanzenkulturen im Vergleich zur natürlichen, bis zu einigen Monaten oder länger dauernden Wachstumsperiode schnell simuliert (in silico) werden. Nutzpflanzenforscher und Züchter verwenden In-silico-Verfahren als Alternative zu zeitaufwendigen, arbeitsintensiven tatsächlichen Anbauversuchen, um das gezielte Wachstum von Nutzpflanzen in spezifischen Umgebungen zu erforschen und wesentliche Attribute schnell zu quantifizieren. Dies erleichtert die Beschleunigung der selektiven Pflanzenzüchtung, eine vielversprechende Strategie zur Bewältigung der bevorstehenden Herausforderung der Ernährungssicherheit. Bei der Modellierung von VP bestehen die ersten Schritte in der Auswahl der zu untersuchenden Nutzpflanze und der zu untersuchenden Merkmale, der Einrichtung eines Feldexperiments, der Erhebung zeitlicher Daten zum Pflanzenwachstum, der Durchführung einer statistischen Analyse dieser Daten zur Erforschung der Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern sowie der mathematischen Modellierung zur Festlegung der Wachstumsregeln für diese Pflanzenparameter. Schließlich wird die Computersimulation von FSPM verwendet, um die zu untersuchende Nutzpflanze auf der Ebene des einzelnen Standorts oder des Blattwerks zu visualisieren. Nach Erhalt des Outputs können Forscher dieses Modell parametrisieren, um verschiedene Testszenarien zu generieren. Eine eingehende Analyse dieser Testfälle bietet eine ideale Methode zur Bewertung der Performance der resultierenden Testzucht in Bezug auf Wachstumszeit, Ertrag, Widerstandsfähigkeit gegen biotischen und abiotischen Stress usw., je nach Anwendung. Dieses Verfahren kann die bestehende Forschung zur Hochleistungspflanzenphänotypisierung durch die Erzeugung synthetischer Datensätze zur Behebung der Unausgewogenheiten in den bestehenden realen Pflanzenphänotypisierungsdatensätzen möglicherweise beschleunigen und erweitern; seine Anwendung weist jedoch einige Herausforderungen auf. In diesem Kapitel werden das Konzept der VP-Modellierung, seine Anwendungen und einige Herausforderungen bei seiner Anwendung behandelt.