Project

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Lab to field plant phenotyping to improve crop performance in abiotic stress

Applicant Walter Achim
Number 144078
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Umweltsystemwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Agricultural and Forestry Sciences
Start/End 01.01.2013 - 31.12.2015
Approved amount 189'516.00
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All Disciplines (6)

Discipline
Agricultural and Forestry Sciences
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Other disciplines of Environmental Sciences
Other disciplines of Engineering Sciences
Environmental Research
Other disciplines of Earth Sciences

Keywords (6)

agriculture; ecophysiology; crop modeling; leaf growth analysis; abiotic stress; remote sensing

Lay Summary (German)

Lead
Pflanzenphänotypisierung stellt eine Schwachstelle der heutigen Pflanzenzüchtung dar. Wachstum ist eine der zentralsten Eigenschaft des Phänotyps. Bis zum heutigen Tag gibt es keine zufriedenstellenden technischen und konzeptuellen Ansätze, um Pflanzenwachstum im Feld quantitativ und automatisiert verfolgen zu können. Solche Wuchsanalysen müssen eine dynamische Registrierung der Umweltbedingungen sowie anderer Eigenschaften des Phänotyps, wie etwa der Photosynthese, mit einschliessen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes

Unser vorrangiges Ziel ist es, präzise und automatisierte sowie auf Bildverarbeitung gestützte Analysen des Wachstums von Kulturpflanzen im Feld zu etablieren. Dadurch soll ein besseres Grundlagenverständnis der pflanzlichen Organisation erreicht werden. Im Detail werden wir Wuchsanalysen auf drei morphologischen Ebenen durchführen: Auf der Ebene des einzelnen Blattes, auf der Ebene einer Einzelpflanze und auf der Ebene des Bestandes. Diese Analysen werden an Kulturpflanzen wie Weizen und Soja durchgeführt. Sie werden ergänzt durch eine Vermessung verschiedenster Umweltparameter und von Parametern, aus denen auf die Assimilation und Transpiration der Pflanze rückgeschlossen werden kann, sowie durch Analysen unter den kontrollierten Bedingungen eines Gewächshauses. Mit Hilfe dieses Paketes von Analysen soll ein Phänotypisierungsansatz etabliert werden, der es erlaubt, die Stresstoleranz und die Leistungsfähigkeit verschiedener Sorten der grossen Kulturpflanzenarten zu quantifizieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unsere interdisziplinäre Arbeit wird mit Hilfe des Einsatzes unterschiedlicher bildverarbeitender Verfahren grundlegende Zusammenhänge des Wachstumsverhaltens verschiedener Organisationsstufen von Pflanzen aufklären. Dadurch werden Diagnose-Konzepte und Werkzeuge geschaffen, die der Pflanzenzüchtung einen grossen Fortschritt verschaffen können und die so letztendlich dazu beitragen, Probleme der Welternährung zu lösen.

Keywords

Agriculture, Ecophysiology, Leaf growth analysis, NDVI, Thermography, Wheat, Maize, Soybean, Potato, Buckwheat, Abiotic Stress, Remote Sensing, Crop Modeling

Direct link to Lay Summary Last update: 07.02.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
The ETH field phenotyping platform FIP: a cable-suspended multi-sensor system
Kirchgessner Norbert, Liebisch Frank, Yu Kang, Pfeifer Johannes, Friedli Michael, Hund Andreas, Walter Achim (2017), The ETH field phenotyping platform FIP: a cable-suspended multi-sensor system, in Functional Plant Biology, (44), 154.
Terrestrial 3D laser scanning to track the increase in canopy height of both monocot and dicot crop species under field conditions
Friedli Michael, Kirchgessner Norbert, Grieder Christoph, Liebisch Frank, Mannale Michael, Walter Achim (2016), Terrestrial 3D laser scanning to track the increase in canopy height of both monocot and dicot crop species under field conditions, in Plant Methods , 12, 9.
Diel growth patterns of young soybean (Glycine max) leaflets are synchronous throughout different positions on a plant
Friedli Michael, Walter Achim (2015), Diel growth patterns of young soybean (Glycine max) leaflets are synchronous throughout different positions on a plant, in Plant, Cell and Environment, 38, 514-524.
Diel leaf growth of soybean: a novel method to analyze two-dimensional leaf expansion in high temporal resolution based on a marker tracking approach (Martrack Leaf)
Mielewczik Michael, Friedli Michael, Kirchgessner Norbert, Walter Achim (2013), Diel leaf growth of soybean: a novel method to analyze two-dimensional leaf expansion in high temporal resolution based on a marker tracking approach (Martrack Leaf), in Plant Methods, 9, 30.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
University of Zurich, Remote Sensing Laboratories Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Disney Research Zurich, Computer Vision Group Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Agroscope Reckenholz-Tänikon, Air Pollution / Climate Group Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
DGPF Jahrestagung 2015 und Laser-Scanning Workshop 2015 Poster Terrestrial 3D laser scanning to analyse canopy growth of maize (Zea mays), soya bean (Glycine max) and wheat (Triticum aestivum) under field conditions 16.03.2015 Köln, Germany Walter Achim; Friedli Michael;
Plant Phenotyping Conference Poster Leaf and canopy growth of maize, soybean and wheat under field conditions measured by marker tracking and 3D laser scanning 16.02.2014 Chennai, India Friedli Michael; Walter Achim;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169542 PhenoCOOL: Wheat and soybean phenotyping under cold conditions using growth as a dynamic trait 01.01.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Plant phenotyping - a precise, ideally non-invasive and automated quantification of plant growth, photosynthesis and other performance parameters - is a major bottleneck of today’s breeding research. Imaging and non-imaging techniques have been developed throughout recent years for monitoring dynamic and static traits such as growth response to drought stress or remote-sensing based assessment of plant reflectance at different wavelengths. Most of these techniques are successfully applied in controlled conditions of climate chamber or greenhouse experiments and they are related to the visible surface of single plant canopies. It is unclear though, to which extent findings obtained under the controlled conditions of laboratory experiments correlate with findings obtained in the field and to which extent findings obtained at different levels of plant organization can be used to assess the performance of a crop. The experiments of the proposed, interdisciplinary project will be performed on three different morphological levels, starting at the leaf level (1), continuing at the plant level (2) and finally covering the plant stand, canopy or crop level (3). For each level, a central research hypothesis will be tested, which will lead to the establishment of a concept map allowing for a more precise selection of phenotyping parameters to quantify and classify genotypic differences for abiotic stress tolerance of several agriculturally important species. The main focus of the proposed research will be on the analysis of leaf growth and on resolving the question how findings obtained at the individual leaf level can stimulate field-relevant aspects of crop improvement.
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