And the Winner is … AVATARS

In James Cameron´s preisgekröntem 3D-Kracher AVATAR schlüpft die Hauptfigur Jake Sully mittels Computertechnologie in die Hülle eines Na’vi und entdeckt deren fantastische Biosphäre Pandora. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt AVATARS, in dem das IPK Leibniz-Institut eine führende Rolle hat, steht dem in nichts nach. Mittels Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) wird Pflanzenforschung in neuen Dimensionen erlebbar. Diese und der scheinbar unendliche Raum eröffnen völlig neue Möglichkeiten Daten interaktiv zu visualisieren – eine Revolution für Pflanzenforschung und Züchtung. Für dieses visionäre VR/AR-Konzept ist das AVATARS Projekt kürzlich auch mit dem VR NOW Award in der Kategorie `Best Industry VR´ ausgezeichnet worden.

Im Fokus des AVATARS Projekts steht die Samenentwicklung von Raps. Viele Terabyte an Daten werden über einen Zeitraum von mehreren Jahren erhoben, um die Lebensprozesse des Rapssamens besser zu verstehen. Ziel ist es, künftig genauere Vorhersagen zur Vitalität und Keimfähigkeit machen zu können. Letztlich soll die verbesserte Visualisierung und Analyse der Forschungsdaten bei der Züchtung von Nutzpflanzen helfen, die immer besser an unsere Anforderungen und an den Klimawandel angepasst sind. Auf dem Weg zu diesem ambitionierten Ziel arbeitet das IPK Leibniz-Institut eng mit dem Züchtungsforschungsunternehmen NPZ Innovation GmbH und dem Berliner Think Tank für VR/AR Anwendungen Breakpoint One sowie den weiteren Projektpartnern an den Universitäten Bielefeld, Kaiserslautern und Hannover zusammen.

Durch Automatisierung und moderne Technologien im Feld, Gewächshaus und Labor können auch in der Pflanzenforschung immer mehr Daten in immer kürzerer Zeit generiert werden. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Interpretation dieser Daten, denn nur so entsteht neues Wissen. Die Visualisierung und graphische Aufbereitung in Diagrammen ist für Forscherinnen und Forscher wichtig, um Muster, Strukturen und Zusammenhänge zu erkennen. Aufgrund des immensen Datenvolumens und der großen Komplexität stoßen klassische Diagramme auf dem Computerbildschirm inzwischen aber an ihre Grenzen. Die vielen Datenpunkte drängen und überlagern sich zu dichten und übersichtlichen Punktwolken. Das Aufspüren von wichtigen Zusammenhängen ist so sehr schwierig und gleicht dabei oft der Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

AVATARS beschreitet neue Wege und setzt auf VR/AR Technologien, die bereits erfolgreich in der Gaming-Industry angewandt werden. Mittels VR-Brille kann man in die Daten zur Rapssamenentwicklung eintauchen, Datenpunkte ansteuern und vergrößern und dort gewünschte Informationen abfragen. Doch nicht nur das: Datensätze aus molekularbiologischen Experimenten lassen sich in der VR Umgebung miteinander verknüpfen. So kann man einzelne Datenpunkte als 3D-Modell des Samens visualisieren, oder umgekehrt Daten zu Sameninhaltsstoffen und deren Verteilung auf ein 3D-Modell des Samens abbilden.

Der Einsatz von VR/AR Technologien bietet auch neue Chancen in der Darstellung von Ge[OS5] n-regulatorischen und Stoffwechsel-Netzwerken, die ähnlich komplex aufgebaut sind wie die sozialen Netzwerke Facebook, Twitter oder Instagram. Forscherinnen und Forscher stehen oft vor der Herausforderung Netzwerkknoten zu identifizieren, die eine besondere Bedeutung haben, ähnlich wie Influencer oder Freundeskreise. Die Virtualisierung von Netzwerken erleichtert es Gene und Stoffwechselprozesse zu identifizieren, die einen Einfluss auf Samenmerkmale und -eigenschaften haben, wie z.B. den Sameninhalt und -verteilung, aber auch Vitalität und Keimfähigkeit.

Diese mittels VR/AR gewonnen Informationen und Erkenntnisse sind von Bedeutung, um Nutzpflanzen wie Raps fit zu machen für die Herausforderungen durch den Klimawandel und das Bevölkerungswachstum. Die Technologien dienen als Katalysator für den Wissensgewinn. Davon profitieren Pflanzenforschung und Züchtung gleichermaßen. Gleichzeitig schafft AVATARS aber auch neue Bildungsangebote für Schülerinnen und Schülern in Form von der Plant Journey. Die Plant Journey ist VR Game, dass spielerisch Wissen über Pflanzen vermittelt, indem man selbst in die Rolle einer Pflanzenforscherin oder eines Pflanzenforschers schlüpft. Eine tolle Ergänzung zum Biounterricht. Die Plant Journey ist auf der Steam Play Store erhältlich.

Das AVATARS Gesamtpaket hat auch die Jury des VR NOW Awards 2021 überzeugt und wurde deshalb in der Kategorie `Best Industry VR´ ausgezeichnet. Die internationale Veranstaltung des VR NOW Awards ist eine Initiative des Virtual Reality Verbandes in der deutschen Hauptstadtregion gefördert durch das Medienboard Berlin-Brandenburg. Seit 2016 würdigt der VR NOW Award Vordenker und die größten Errungenschaften in VR, AR, MR und 360° Videos aus, zu dem nun auch das AVATARS Projekt gehört.

Das AVATARS Projekt versteht sich als Türöffner. Weitere spannende Fortschritte in der Züchtung von klima-angepassten Nutzpflanzen sind zu erwarten durch die Kombination von VR/AR Technologie und künstlicher Intelligenz, die auch im AVATARS Projekt bereits eine Rolle spielt. Und so könnte die Erfolgsgeschichte des AVATARS Projektes ebenso weitergehen wie die des preisgekrönten 3D-Krachers, für den ebenfalls eine Fortsetzung in Planung ist.

AVATARS meets de.NBI

Matthias Enders from NPZ Innovation GmbH successfully represented the AVATARS project at the virtual de.NBI Industrial Forum on November 26th, 2020. de.NBI is the german network for bioinformatics infrastructure supported by the Federal Ministry of Education and Research. The de.NBI Industrial Forum is a platform for academia and industry to present innovations and challenges of „Big Data“ in life sciences. In this respect, AVATARS is a flagship project in the field of plant breeding facing the challenges of integrating extensive, and diverse multimodal time-resolved data sets using a virtual and augmented reality environment in combination with deep learning technology. The integration through a VR/AR environment will not only allow the interactive exploration of highly complex data in research and breeding application but also impact education by providing an innovative teaching and learning experience.

Verbundprojekt AVATARS nimmt Fahrt auf – Kick-off Meeting am IPK in Gatersleben

Raps ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen. Doch wie können die Erträge auch angesichts des Klimawandels hochgehalten werden? Auf der Suche nach Lösungen beschreiten Forscher und Züchter nun neue Wege mit neuesten digitalen Techniken der Datenaufbereitung und Visualisierung.

Das Verbundprojekt AVATARS, das die enormen Datenmengen aus der Wissenschaft mittels Virtual Reality (VR) aufbereiten und damit die systembiologische Forschung und die Rapszüchtungen unterstützen will, nimmt jetzt volle Fahrt auf. Die Partner – das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), die Universitäten Bielefeld und Kaiserslautern, das Unternehmen Breakpoint One und das züchterisch ausgerichtete Forschungsunternehmen NPZ Innovation (NPZi) – kommen dazu am 26. und 27. Februar in Gatersleben zu einem Kick-off Meeting zusammen.

„Wir möchten die enormen Datenmengen und die hochdimensionalen und komplexen Beziehungen zwischen den Daten über eine 3D virtuelle Darstellung zugänglich und besser nutzbar machen“, sagt Prof. Dr. Thomas Altmann vom IPK, Koordinator des AVATARS-Projektes, zu dem Vorhaben, das bis 2024 laufen soll und mit ca. sieben Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert werden soll. „Letztlich wollen wir untersuchen, welche Erbgut- und Umweltfaktoren dafür verantwortlich sind, dass Rapspflanzen Samen mit hoher und niedriger Qualität, also Vitalität und Keimfähigkeit, erzeugen“, sagt Prof. Dr. Altmann. „So

hoffen wir, Vorhersagen zu den Leistungen der Pflanzen und den Eigenschaften ihrer Samen treffen zu können.“ Für die Züchter geht es konkret darum, bessere Möglichkeiten zur Auswahl von Linien mit vorteilhaften Eigenschaften wie hohem Ölertrag und guter Keimfähigkeit zu bekommen.

„Raps ist eine der bedeutendsten Quellen für pflanzliches Öl in Europa. Das macht die Forschung zur Rapszüchtung so wesentlich. Und das AVATARS-Projekt ist ein besonders faszinierendes Beispiel dafür, was künstliche Intelligenz in der Pflanzen- und Kulturpflanzenforschung ermöglicht“, erklärt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek (CDU). „Mit AVATARS kann die gesamte Entwicklung vom Rapssamen bis zur Pflanze am Computer simuliert werden. Die Auswertung der dabei gesammelten Daten liefert uns wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich unterschiedliche Umweltbedingungen auf die Samenentwicklung auswirken“, sagt die Ministerin. „So lassen sich Rapssorten noch besser an neue Umweltbedingungen anpassen. Diese Forschung gewinnt vor allem angesichts des Klimawandels enorm an Bedeutung. Denn wir brauchen weiterhin sichere Ernten.“

Bereits im vergangenen Jahr starteten großangelegte Feldversuche mit 400 Zuchtlinien. „Davon wählen wir dann 40 Linien aus, die in den folgenden Jahren am IPK in der Pflanzenkulturhalle kultiviert werden“, erklärt Prof. Dr. Altmann. Dort werden dann an Hand aktueller Wetterdaten zwei Anzuchtumwelten simuliert – einmal mit eher günstigen, einmal mit eher ungünstigen Einflüssen auf die Samenentwicklung. Gleichzeitig werden bei drei der Linien die molekularen Prozesse untersucht, um den Zusammenhang zwischen diesen und der Ausprägung der äußeren Merkmale besser zu verstehen. Mit Hilfe von Virtueller Realität soll dann versucht werden, die komplexen Zusammenhänge für Züchter und Wissenschaftler leichter zugänglich und erfassbar zu machen.

Die Projektpartner haben dabei unterschiedliche Schwerpunkte. Die Wissenschaftler der Universität Bielefeld versuchen Regulatoren in den Zellen zu identifizieren, die dafür sorgen, dass in der Pflanze bestimmte Prozesse ablaufen. Die Forscher aus Kaiserslautern arbeiten an verbesserten Vorhersageverfahren für wichtige Merkmale – ein Punkt, der für die Züchter von großer Bedeutung ist. Am IPK versuchen die beteiligten Wissenschaftler, durch Anzucht in der Pflanzenkulturhalle, die molekulare Analyse und die Untersuchung der Strukturen mit modernsten, nichtinvasiven Methoden wie der Magnetresonanztomographie ein besseres Verständnis der Stoffwechselströme zu gewinnen.

Die NPZi, die das Projekt gemeinsam mit dem IPK initiiert hat, stellt eigenes Zuchtmaterial und große Mengen genomischer sowie digitaler phänotypischer Daten als Input für die Entwicklung der Vorhersageverfahren zur Verfügung. Die NPZi wird darüber hinaus die entwickelten Methoden und Ergebnisse im praktischen Einsatz testen und damit einen ersten Wissenstransfer in die Praxis leisten.

Breakpoint One aus Berlin nutzt seine Erfahrungen aus dem Real Time 3D Gaming für die Visualisierung dieser Daten mit Hilfe der Virtuellen Realität. „Dabei ist das Ziel, die komplizierten Vorgänge verständlicher zu machen – für die Wissenschaft, aber auch für die Öffentlichkeit“, betont Prof. Dr. Altmann. Das VR- basierte Spiel „Plant Journey“, das bereits 2019 auf der IdeenExpo in Hannover vorgestellt wurde und Schülerinnen und Schülern ermöglicht das Innenleben und die Lebensprozesse einer Pflanze zu erkunden ist ein erstes Beispiel dafür.

(Autor: Christian Schafmeister / IPK)

Wissenschaftlicher Kontakt

Prof. Dr. Thomas Altmann
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Tel.: +49 39482 5214
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Christian Schafmeister
Geschäftsstelle – Öffentlichkeitsarbeit
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)
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„3D-Reise in die Pflanze – Plant Journey“ ist nominiert für den VR NOW Education Award

Nachdem es bereits auf der IdeenExpo 2019 in Hannover zahlreiche Besucher auf eine virtuelle Reise durch die Pflanze geschickt hat, ist das Virtual Reality Spiel „3D-Reise in die Pflanze – Plant Journey“ des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) nun für den VR NOW-Award nominiert wurden. Ob das 3D-Spiel den Preis im Bereich Bildung nach Gatersleben bringen wird, erfahren wir am 19. November auf der Media Tech in Potsdam. Die „3D- Reise in die Pflanze“ entstand im Rahmen des durch das BMBF geförderten, kürzlich gestarteten Verbundprojekts „AVATARS“. In diesem werden erstmals virtuelle und augmentierte Realität als Werkzeuge zur Visualisierung komplexer biologischer Daten in der Pflanzenforschung eingesetzt.

In der Ferne erspähst du den grün leuchtenden Chloroplasten. Suchend schaust du dich um. Du entdeckst Wasser- und CO2-Moleküle, während dir die Photosynthese erklärt wird. Du greifst das Wassermolekül, zielst und wirfst. Der Chloroplast ist getroffen, die Photosynthese geht weiter. Nur noch ein paar Moleküle und deine Pflanze erreicht das nächste Wachstums-Level. Dank virtueller Realität (VR) ist es einfacher denn je, derart immersiv und interaktiv in ein neues Umfeld einzutauchen. So kann man im VR-Spiel „3D- Reise in die Pflanze – Plant Journey“ vollkommen in das Innenleben einer Rapspflanze eintauchen, die Geschehnisse hautnah erleben und sogar steuern.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten und im Juni gestarteten Verbundprojekts AVATARS – kurz für “Advanced Virtuality and Augmented Reality Approaches in Seeds to Seeds”, wurde das Spiel erstmals im Sommer auf der „IdeenExpo 2019“ in Hannover präsentiert. Das Spiel ist nun für den VR NOW Award im Bereich Bildung nominiert.

Im Rahmen von AVATARS arbeiten Wissenschaftler unter Leitung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) mit Forschern der Universität Bielefeld, der Universität Kaiserslautern sowie mit Pflanzenzüchtern der NPZ Innovation (NPZi) und mit VR-Spezialisten des Unternehmens Breakpoint One zusammen. Mit Hilfe systembiologischer Methoden entstehen riesige Mengen an Forschungsdaten. Diese sollen im virtuellen Raum abgebildet und modelliert werden. Ein plastischer Eindruck dieser Daten soll vermitteln werden. Ziel ist es, diese für Forschende und praktische Pflanzenzüchter intuitiv nutzbar zu machen. Aber auch neue Blickwinkel und Einsichten in das biologische System Rapspflanze sollen durch die neue Form der Visualisierung ermöglicht werden.

Das als Prototyp im Rahmen des Forschungsprojekts AVATARS entwickelte Spiel richtet sich an Schülerinnen und Schüler mit Grundkenntnissen in Biologie. In drei Kapiteln – Wurzel, Blatt und Samen – testen sie aus, wie ein Optimum, z.B. an Nährstoffen, für die Entwicklung von Pflanzenorganen geregelt werden muss. Im zuschaltbaren Explorer-Modus erfahren sie mehr über die pflanzliche Biologie. Aufgelockert wird die ungewöhnliche Lerneinheit durch spielerische Elemente. So werden im Blatt Chloroplasten mit den Ausgangsstoffen der Photosynthese, Kohlendioxid und Wasser, beworfen, in der Wurzel gilt es, Ammonium und Nitrat, wichtige Pflanzennährstoffe, zusammenzubauen und im Samen heißt es, mit Pfeil und Bogen Öl-Körper zu treffen, sodass diese anwachsen. Wissenschaft wird im virtuellen

Raum erlebbarer. Am Ende des Spiels entscheidet sich, ob man Lehrling oder bereits ein Meister ist. Viel wichtiger jedoch ist die Aufforderung, nicht nur in der virtuellen, sondern auch in der realen Welt, Pflanzenerforscher zu werden.

Die VR NOW-Preisträger werden am 19. November auf der Media Tech Konferenz in Potsdam gekürt. Konferenzbesucher bekommen dort die Möglichkeit, eine Reise durch die Pflanze anzutreten. Eine weitere Chance, in die virtuelle Pflanzenwelt einzutauchen, soll es im Januar auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin geben. Langfristig ist das Ziel, die VR-Stationen auf Reisen zu schicken, um möglichst vielen Interessierten in Schulen oder bei anderer Gelegenheit einen etwas anderen Blick auf Pflanzenforschung zu geben.

Link zur VR NOW:  https://www.vrnowcon.io/

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Geschäftsstelle 
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)
Tel. +49 39482 5424
E-Mail:

Weitere Informationen:

Abbildungen und Video (zur freien Verwendung):
https://ipk-cloud.ipk-gatersleben.de/s/Nkx5sAxtQTKBx9j

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