• Skip to main content
  • Skip to secondary menu
  • Skip to primary sidebar

Lebensmittel- & Biotechnologie

Das Fachportal für Lebensmittelindustrie und Biotechnologie

  • Abonnement
  • Impressum
  • Welkin Media Verlag
Startseite » Blütenpollen effizient bestimmen

Blütenpollen effizient bestimmen

7. Oktober 2020 von Helmut Mitteregger

Ob Pollenflugvorhersage, Honiganalyse oder das Verstehen klimabedingter Veränderungen von Pflanzen-Bestäuber-Interaktionen – die Analyse von Blütenpollen spielt in vielen Forschungsbereichen eine wichtige Rolle. Goldstandard ist dabei nach wie vor die Mikroskopie, die jedoch viel Zeit und Expertise erfordert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) haben in Kooperation mit der Technischen Universität (TU) Ilmenau nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sie die Pollenanalyse automatisieren können. Ihre Studie ist im Fachmagazin New Phytologist veröffentlicht.

Pollen wird in den Staubblättern einer Blüte produziert und besteht aus vielen winzigen Pollenkörnern, die das männliche Erbgut einer Pflanze für deren Fortpflanzung beherbergen. Die Pollenkörner verfangen sich in den Härchen vorbeistreifender nektarsaugender Insekten und werden so von Blüte zu Blüte transportiert. Dort bleibt er im besten Fall an der klebrigen Narbe derselben Pflanzenart hängen, und es kann zu einer Befruchtung kommen. „Die bestäubenden Insekten machen diesen Pollen-Kurierdienst zwar ganz nebenbei, doch ist er von unschätzbar hohem ökologischen und auch wirtschaftlichen Wert“, sagt Dr. Susanne Dunker, Leiterin der Arbeitsgruppe Bildbasierte Zytometrie im Department Physiologische Diversität an UFZ und iDiv. „Insbesondere vor dem Hintergrund des Klimawandels und dem zunehmenden Verlust von Arten ist es wichtig, diese Pflanzen-Bestäuber-Interaktionen besser zu verstehen.“ Die Pollenanalyse ist dafür ein entscheidendes Instrument.
Pollenkörner haben eine für die jeweilige Pflanzenart charakteristische Form, Oberflächenstruktur und Größe. Um die zwischen 10 und 180 Mikrometer großen Pollenkörner einer Probe zu bestimmen und zu zählen, galt bislang die Mikroskopie als Goldstandard. Die Arbeit am Mikroskop erfordert jedoch eine große Expertise und ist sehr zeitaufwendig. „Zwar gibt es bereits verschiedene Ansätze zur Automatisierung der Pollenanalyse, doch können diese Methoden entweder nah verwandte Arten nicht unterscheiden oder keine quantitativen Aussagen über die Anzahl der in einer Probe enthaltenen Pollenkörner treffen“, sagt die UFZ-Biologin Dunker. Doch genau das ist für viele Fragestellungen in der Forschung, etwa zur Interaktion zwischen Pflanzen und Bestäubern, wichtig.

Jede Reihe zeigt ein einzelnes Pollenkorn einer bestimmten Pflanzenart mit einer normalen mikroskopischen Aufnahme (Bilder links) und Fluoreszenzaufnahmen für verschiedene Spektralbereiche (farbige Bilder rechts). | Abbildung Susanne Dunker

Verfahren zur automatisierten Pollenanalyse

In ihrer aktuellen Studie hat das Forscherteam um Susanne Dunker ein neuartiges Automatisierungsverfahren für die Pollenanalyse entwickelt. Dafür kombinierte es den Hochdurchsatz der bildbasierten Durchflusszytometrie, ein Verfahren der Partikelanalyse, mit einer Form der künstlichen Intelligenz (KI), dem sogenannten Deep Learning – und entwarf damit ein hocheffizientes Analyse-Tool, das neben der exakten Artbestimmung auch eine Quantifizierung der in einer Probe enthaltenen Pollenkörner möglich macht. Die bildbasierte Durchflusszytometrie ist ein vorwiegend in der Medizin angewandtes Verfahren zur Analyse von Blutzellen, das nun auch der Pollenanalyse dient.
„Eine zu untersuchende Pollenprobe wird zunächst in eine Trägerflüssigkeit gegeben, die dann einen enger werdenden Kanal durchfließt“, erklärt Susanne Dunker dieses Verfahren. „Durch die Verengung, werden die Pollenkörner separiert und wie auf einer Perlenschnur aufgereiht. So wandert jedes Pollenkorn einzeln durch das eingebaute Mikroskop-Element – bis zu 2.000 Pollen pro Sekunde können das sein.“ Zwei normale mikroskopische Bilder werden mit zehn fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen pro Pollen ergänzt. Dabei senden die Pollen, nachdem sie durch Laser mit Licht bestimmter Wellenlängen angeregt wurden, selbst Licht aus. „In welchem Bereich des Farbspektrums und wo genau die Pollen fluoreszieren, ist teilweise sehr spezifisch. Damit erhalten wir weitere Merkmale, die zur Identifizierung der jeweiligen Pflanzenart beitragen können“, sagt Susanne Dunker. Beim Deep learning abstrahiert ein Algorithmus in aufeinanderfolgenden Schritten die ursprünglichen Pixel eines Bildes immer stärker, um letztendlich die für eine Art spezifischen Eigenschaften zu extrahieren. „Die kombinierte Nutzung von mikroskopischen Aufnahmen, Fluoreszenzeigenschaften und Hochdurchsatz gab es in der Pollenanalyse bislang noch nicht – das ist tatsächlich ein absolutes Novum.“ Die Analyse einer wenig komplexen Probe dauert beispielsweise vier Stunden am Mikroskop, mit dem neuen Verfahren sind es nur noch 20 Minuten. Das neuartige Hochdurchsatz-Analyseverfahren ist deshalb als Patent des UFZ angemeldet, Susanne Dunker erhielt 2019 dafür den Technologietransfer-Preis des UFZ.
Die in der New Phytologist-Studie untersuchten Pollenproben stammten von 35 Wiesenpflanzenarten, darunter zum Beispiel Schafgarbe, Salbei, Thymian und verschiedene Klee-Arten wie Weiß-, Berg- und Wiesenklee. Insgesamt fertigten die Forscher rund 430.000 Bilder an, die den Grundstock für eine Datenbank bildeten. Diese wurde in Kooperation mit der TU Ilmenau mittels Deep Learning in ein hocheffizientes Werkzeug zur Pollenidentifizierung überführt. In anschließenden Untersuchungen testeten die Forscher die Treffsicherheit ihrer neuen Methode: Aus den 35 Pflanzenarten haben sie unbekannte Pollenproben mit der Datenbank verglichen. „Das Ergebnis war mehr als zufriedenstellend, die Genauigkeit lag bei 96 Prozent“, sagt Susanne Dunker. Dabei konnten sogar Arten, die selbst für Experten am Mikroskop schwer zu unterscheiden sind, sicher identifiziert werden. Die neue Methode ist also nicht nur extrem schnell, sondern auch hochpräzise.

Das neue Verfahren der automatisierten Pollenanalyse wird künftig bei wichtigen Forschungsfragen rund um die Pflanzen-Bestäuber-Interaktionen eine zentrale Rolle spielen. Wie wichtig sind bestimmte Bestäuber wie Biene, Fliege oder Hummel für eine Pflanzenart? Welche Konsequenzen hätte ein Verlust einer bestäubenden Insekten-Art oder einer Pflanze? „Wir sind nun in der Lage, in großem Umfang Pollenproben qualitativ und gleichzeitig quantitativ auszuwerten. Unsere Pollen-Datenbank insektenbestäubter Pflanzen erweitern wir dafür stetig“, sagt Susanne Dunker. Sie will die Datenbank auf mindestens jene 500 Pflanzenarten erweitern, deren Pollen für die Honigbiene als Nahrung relevant sind.

Originalpublikation:
Susanne Dunker, Elena Motivans, Demetra Rakosy, David Boho, Patrick Mäder, Thomas Hornick, Tiffany M. Knight: Pollen analysis using multispectral imaging flow cytometry and deep learning. New Phytologist https://doi.org/10.1111/nph.16882

Filed Under: Forschung, News Tagged With: bildbasierte Durchflusszytometrie, Deep Learning, Pollenidentifizierung

Weitere Nachrichten

Pipettier-Automation im Laborbetrieb

Die innovative Labor-Automatisierungslösung von Essert und Weiss Pharmatechnik ermöglicht es, Pipettierungsprozesse schneller, einfacher und autonom auszuführen. Ein 6-Achs-Roboter ist mit einer elektronischen Pipette ausgestattet und führt … [Weiterlesen...] about Pipettier-Automation im Laborbetrieb

Durchbruch in der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie

Am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg wurde ein superauflösendes Mikroskop mit einer räumlich-zeitlichen Genauigkeit von einem Nanometer pro Millisekunde entwickelt. Durch eine Weiterentwicklung der MINFLUX-Mikroskopie hin … [Weiterlesen...] about Durchbruch in der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie

BASF investiert in das Geschäft mit Riech- und Geschmacksstoffen

Die BASF investiert in das Geschäft im Bereich Riech- und Geschmacksstoffe durch neue Anlagen für Citral, Menthol und Linalool. Die World-Scale-Anlage für Citral in Zhanjiang, China, sowie die Anlagen zur Weiterverarbeitung von Menthol und Linalool … [Weiterlesen...] about BASF investiert in das Geschäft mit Riech- und Geschmacksstoffen

Minebea Intec auf der InterPack 2023

Minebea Intec zeigt auf der InterPack 2023 von 04. bis 10. Mai in Düsseldorf seine Produkte und Innovationen für mehr Produktsicherheit und Effizienz. Mit dabei sind Anlagen für die visuelle Produktinspektion, wie dem VisioPointer, bis hin zu einer … [Weiterlesen...] about Minebea Intec auf der InterPack 2023

Primary Sidebar

Aktuelle Ausgabe

Welkin Media News

Aktuelle Nachrichten aus unseren anderen Online-Portalen Österreichische Chemie Zeitschrift und Österreichische Kunststoffzeitschrift.

  • Lebensmittelsicherheit bei Kunststoffverpackungen
    on 27. März 2023 by Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Das Projekt SafeCycle untersucht bis Dezember 2024 mögliche Quellen für die Kontaminationen von recycelten Kunststoffen mit DNA-reaktiven Substanzen. Ziel ist ein Maßnahmenkatalog mit klaren Empfehlungen zur Vermeidung von Kontaminationen in […]

  • 1 Million korrekt entsorgte Verpackungen mit RecycleMich-App
    on 27. März 2023 by Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Österreichs erste Recycling-App feiert ihren zweiten Geburtstag mit einer stolzen Bilanz: 1 Million recycelte Einweg-Verpackungen aus Kunststoff und Metall, 18.000 glückliche Gewinnerinnen und Gewinner und Kooperationen mit Großevents wie dem […]

  • Luftzerlegungsanlage von Messer in Betrieb genommen
    on 27. März 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    LuftzerlegungsanlageMesser hat Anfang März 2023 in Vratimov, in der Tschechischen Republik, eine neue Luftzerlegungsanlage (LZA) in Betrieb genommen. Durch die Investition kann Messer seine Flüssiggasproduktion um etwa das Vierfache steigern und […]

  • Metallische Rohstoffe und Circular Economy
    on 24. März 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Vom 12. bis 16. Juni 2023 zeigen GIFA und METEC in Düsseldorf Chancen auf, die die Circular Economy metallurgischen Anlagenbauern bietet. Und zwar vom klassischen Recycling über die Aufbereitung von Batterien bis zum Urban Mining von […]

  • Neue Materialien für eine emissionsfreie Zukunft
    on 22. März 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Der excellent=austria „Materials for Energy Conversion and Storage“ Cluster erforscht neue Technologien für effiziente Energieumwandlung. Dafür sollen dafür Nanokatalysatoren entwickelt werden, auf denen chemische Reaktionen rasch und […]

  • Cubicure erhält ISO 9001 Zertifizierung
    on 21. März 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Das Wiener 3D-Druck-Unternehmen Cubicure hat die ISO 9001 Zertifizierung von Qualitätsmanagementsystemen erhalten. Dank der Umsetzung dieser Norm konnte Cubicure die Wertschöpfungskette optimieren und dadurch die Produktentwicklung […]

  • B&R beim Smart Green Island Makeathon
    on 20. März 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    B&R unterstützte drei Teams beim Smart Green Island Makeathon darin, in kurzer Zeit innovative Konzepte und Prototypen zu erarbeiten. B&R engagiert sich seit langem für die Aus- und Weiterbildung junger Menschen - denn die Industrie […]

  • In schnellem Schritt zu hochwertigen Kunststoffrezyklaten
    on 17. März 2023 by Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Die Produktion von Kunststoffrezyklaten deckt bei weitem nicht die Nachfrage und stellt die Branche vor große Herausforderungen. Die neuesten technologischen Fortschritte bei der Flakesortierung tragen dazu bei, die Lücke zwischen Angebot und […]

  • Baubeginn für BASF Acryl­säure­komplex in Zhanjiang
    on 17. März 2023 by Birgit Fischer (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Die BASF hat am Verbundstandort Zhanjiang, China, mit dem Bau eines neuen Produktionskomplexes für Acrylsäure, Butylacrylat und 2-EHA begonnen. Der Komplex soll bis 2025 in Betrieb genommen werden und wird eine jährliche Produktionskapazität von […]

  • Klimaneutralität
    on 15. März 2023 by Lexikon (Die Chemie Zeitschrift Österreichs)

    Unter Klimaneutralität versteht man das Gleichgewicht zwischen CO2 Emissionen und CO2 Aufnahmen aus der Atmosphäre in sogenannten Senken. Als Kohlenstoffsenke wird ein System bezeichnet, das mehr Kohlenstoff aufnimmt als es abgibt. Die wichtigsten […]

Copyright © 2023 · Welkin Media Verlag