KI-basierte Modellierung der Fotosynthese als Funktion der Strahlungsintensität, Wellenlängen und – Pulsmodulation

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Kaldenhoff; Professor Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500805487

Die Fotosynthese gilt als gut erforschter Prozess. Er ist molekular beschrieben und viele Einflüsse, insbesondere die des Lichts, scheinen hinlänglich bekannt. Die Erkenntnisse wurden genutzt, um mathematische, Einzel- oder Multi-Faktor-basierte Modelle zu erstellen, die es ermöglichen eine Fotosyntheseleistung unter verschiedenen definierten Lichtbedingungen vorherzusagen. Die etablierten Modelle gelten nur unter den vorgegebenen Bedingungen, die nicht unbedingt immer den realen entsprechen. Durch Einsatz von modernen LEDs und KI basierter Steuerung von Lichtprogrammen sollen a) die Möglichkeit dieser, erst in den letzten Jahren verfügbaren Techniken, zur Erforschung der Fotosynthese verwendet werden und b) ein neues holistisches Modell erstellt werden, welches die Fotosynthese-Effektivität beschreibt. Es wird im Unterschied zu den konventionellen Modellen nicht mit einzelnen, in ein mathematisches Modell integrierten Faktoren gearbeitet. Vielmehr wird das Gesamtsystem Pflanze als Black Box betrachtet und die eigehenden Daten mittels Big Data, AI, Deep Learning etc. in einem multivarianten Modell der Fotosynthese dargestellt werden. Dieses wird durch Strahlungsintensität, Wellenlängen und Pulsmodulation unter Berücksichtigung von Pflanzenart, Pflanzenalter (Entwicklungsstadium) und Lichthistorie modifiziert und variabel. Hierfür wird ein Hochdurchsatz-Messverfahren erstellt, das unter anderem den Einsatz von Thermo-Kameras, Reflexion- und Absorptions-Messung, LED-basierter variabler Beleuchtung und Chlorophyll-Fluoreszenz-Messung umfasst. Mit den Daten aus dem Hochdurchsatz-Screening werden kompetente KI-Algorithmen entwickelt. Nach Modellentwicklung werden diese für definierte Pflanzenarten in verschiedenen Entwicklungsstadien validiert und Toleranzbereiche festgelegt. Die Beschreibung der Fotosynthese in dem anvisierten KI-basierten Modell wird unser Bild, von dem für uns alle so wichtigen Prozess, verfeinern, verändern und es ermöglichen, ein neuartiges Gesamtbild zu erstellen. Das validierte Modell wird Auswirkungen auf alle Bereiche der Pflanzen-Kultivierung haben, Landwirtschaft und Gewächshaus-Kultur eingeschlossen. Es wird durch Bereitstellung mittels Server-Datenbank sowie wissenschaftliche Publikationen allgemein zugänglich sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen