Wageningen, The Netherlands
January 10, 2022
From crops that give a high yield to plants that are resistant to drought, salinisation, diseases and other consequences of climate change. Researchers from Agro Food Robotics at Wageningen University & Research are conducting groundbreaking, multidisciplinary research on these topics, amongst others in the recently opened Netherlands Plant Eco-phenotyping Center (NPEC), a high-tech facility for targeted breeding and rapid screening of crops.
The world population will grow from 7.7 billion in 2021 to about 9.7 billion in 2050, according to the United Nations. “In order to feed so many mouths, we need to find plants that can be grown efficiently, provide nutritious components and are resistant to diseases, droughts and insect pests, for example,” says Rick van de Zedde, senior researcher at Agro Food Robotics and project manager at NPEC. “In addition, we have to set up the distribution chain in such a way that as little food as possible is wasted.”
Insight into plant properties
A challenge that requires detailed insight into the properties of plants and that is exactly what NPEC - an initiative of Wageningen University & Research and Utrecht University - is all about. “We use high-tech, data-driven plant phenotyping methods to study agricultural crops from multiple angles,” says Van de Zedde. NPEC also functions as a think tank and meeting place for companies. In NPEC, large-scale automatic measurements are carried out on plants, and NPEC organises and stores the large amounts of data that are collected with modern measuring equipment.
Multidisciplinary research
Experts in bioinformatics, genetics, environmental sciences, soil science and post-harvest technology use state-of-the-art camera technology to conduct multidisciplinary research. For example, in Ecotrons – closed systems in which mini-(agro)ecosystems are simulated – research is conducted into the interaction between the plant, the soil life and its micro-climate. Climate cells lend themselves to research into how the plant microbiome can be influenced to support plants to cope with salinisation and drought stress. Other research is taking place in a new, modern greenhouse – equipped with a range of advanced sensors and camera systems – and with drones and a vehicle for outdoor measurements.
Digital twins
NPEC greenhouse has been in use since April 2021, and has completed 4 large experiments since then, including into quinoa's resistance to drought and how bacteria can help tomato plants deal with salinisation. A third experiment is the development of a digital twin of tomato plants. In this experiment, 3 tomato varieties are grown in real life, and a virtual greenhouse with virtual tomato plants is also being developed that approximates the actual cultivation as closely as possible.
The growth of tomato plants is virtually modeled in 3D, including climate and environment. If the virtual tomato production is identical to reality, this digital twin can be used by growers and breeders to predict their crop development, and to calculate the expected impact of cultivation choices in advance. “Growers can use this information in the near future to make well-considered decisions about cultivation conditions, harvest time, and sales,” says Van de Zedde.
In addition to WUR and UU, NWO has co-funded and recognized NPEC as one of the most important facilities for large-scale scientific research in the life sciences in the Netherlands. In addition, 45 companies have expressed their support for NPEC.
Targeted breeding
Van de Zedde is proud of the results that have already been achieved in such a short time. And there's a lot more in the pipeline. “With the insights we gain, we can screen more plants more quickly and breed them in a more targeted way. This means that the robust, efficient food varieties of the future will be within reach in only a few years.”
Read more
NPEC werkt aan de gewassen van de toekomst
Van gewassen die een hoge opbrengst geven tot planten die bestand zijn tegen droogte, verzilting, ziekten en andere gevolgen van klimaatverandering. Onderzoekers van Agro Food Robotics van Wageningen University & Research doen er baanbrekend, multidisciplinair onderzoek naar, o.a. in het recent geopende Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre (NPEC), een high-tech faciliteit voor gerichte veredeling en snelle screening van gewassen.
De wereldbevolking groeit van 7,7 miljard in 2021 tot zo’n 9,7 miljard in 2050 mensen, aldus de Verenigde Naties. “Om zoveel monden te kunnen voeden, moeten we planten vinden die efficiënt te telen zijn, voedzame componenten leveren en bestand zijn tegen bijvoorbeeld ziekte, droogte en insectenplagen,” zegt Rick van de Zedde, senior onderzoeker bij Agro Food Robotics en projectmanager bij NPEC. “Daarnaast moeten we de distributieketen zo inrichten dat er zo min mogelijk voedsel verloren gaat.”
Inzicht in planteneigenschappen
Een uitdaging die vraagt om gedetailleerd inzicht in de eigenschappen van planten en dat is precies waar het bij NPEC - een initiatief van Wageningen University & Research en de Universiteit Utrecht - om draait. “We zetten high-tech, data-gedreven plant-fenotyperingsmethoden in om landbouwgewassen vanuit meerdere invalshoeken te bestuderen,” vertelt Van de Zedde. NPEC fungeert daarnaast als denktank en ontmoetingsplek voor bedrijven. In NPEC lopen grootschalige automatische metingen aan planten, en NPEC ordent en bewaart de grote hoeveelheden gegevens die met moderne meetapparatuur vergaard worden.
Multidisciplinair onderzoek
Experts op het gebied van bio-informatica, genetica, milieuwetenschappen, bodemkunde en naoogsttechnologie maken gebruik van de meest moderne cameratechnologie om multidisciplinair onderzoek te doen. Zo wordt er in Ecotrons – gesloten systemen waarin mini-(agro)ecosystemen nagebootst worden – onderzoek gedaan naar de interactie tussen de plant, het bodemleven en zijn micro-klimaat. Klimaatcellen lenen zich voor onderzoek naar hoe het microbioom van de plant kan worden beïnvloed om planten te ondersteunen om om te gaan met verzilting en droogtestress. Weer ander onderzoek vindt plaats in een nieuwe, moderne kas – uitgerust met een scala aan geavanceerde sensoren en camerasystemen – en met drones en een voertuig voor vollegrondmetingen in de buitenlucht.
Digital twins
NPEC kas is sinds april 2021 in gebruik, en heeft ondertussen 4 grote experimenten afgerond, onder meer naar de weerbaarheid van quinoa tegen droogte en hoe bacteriën tomatenplanten kunnen helpen om te gaan met verzilting. Een derde experiment is de ontwikkeling van een digital twin van tomatenplanten. In dit experiment worden 3 tomatenrassen in het echt opgekweekt, en daarnaast wordt een virtuele kas met virtuele tomatenplanten ontwikkeld die de werkelijke teelt zo goed mogelijk benadert.
De groei van tomatenplanten wordt in 3D virtueel gemodelleerd, inclusief klimaat en omgeving. Als de virtuele tomatenproductie identiek is aan de werkelijkheid, kan deze digital twin gebruikt worden door telers en veredelaars om hun gewasontwikkeling te voorspellen, en keuzes in de teelt vooraf door te laten rekenen op de verwachte impact. “Telers kunnen met deze informatie in de nabije toekomst weloverwogen beslissingen nemen over teeltomstandigheden, oogstmoment en afzetmarkt”, aldus Van de Zedde.
Naast WUR en UU, heeft NWO NPEC mede-gefinancierd en erkend als één van de belangrijkste faciliteiten voor grootschalig wetenschappelijk onderzoek in de life sciences in Nederland Daarnaast waren er 45 bedrijven die hun steun hebben uitgesproken bij de aanvraag van NPEC.
Gericht veredelen
Van de Zedde is trots op de resultaten die in zo’n korte tijd al zijn geboekt. En er zit nog veel meer in het vat. “Met de inzichten die we opdoen, kunnen we meer planten sneller screenen en gerichter veredelen. Daarmee komen de robuuste, efficiënte voedselrassen van de toekomst binnen enkele jaren binnen handbereik.”
Topics
Species
