Wenn Thomas Altmann den Sommer 2016 noch einmal erleben wollte, müsste er bloß ein paar Knöpfe drücken, sich einen Stuhl nehmen und mitten in eine große Halle setzen. Sekunden später würde gleißendes Licht den Raum fluten, eine sanfte Brise seine Haare zerzausen und ein feiner Nebel aus Wasserdampf seine Haut bedecken. Würde er dann noch die Augen schließen, könnte er glauben, es sei ein herrlich warmer, sonniger Tag. Tatsächlich aber prasselt im Juli 2025 ein beständiger Regen auf das Hallendach der PhänoSphäre. Die Anlage gehört zum Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben.

Doch Altmann, der die Abteilung Molekulare Genetik am IPK leitet, ist nicht hier, um das graue Wetter draußen gegen Sonnenschein einzutauschen. Die PhänoSphäre ist eine Art riesiges, hochmodernes Gewächshaus. In langen Reihen stehen Pflanzen dicht an dicht in großen Containern. Das Licht stammt von Hunderten Keramik-Metall-Halogenlampen sowie Leisten mit sechs verschiedenen LED-Typen, die wie eine riesige künstliche Sonne die gesamte Decke überziehen. Der Wind wird von zwei Dutzend Ventilatoren erzeugt, die sich präzise steuern lassen. Und die Temperatur, die Feuchte und der CO₂-Gehalt der Luft lassen sich mit Hilfe großer Lüftungsgeräte einstellen. In diesem kontrollierten Mikrokosmos erfassen Kameras, Sensoren und automatisierte Systeme rund um die Uhr, wie Pflanzen auf Umweltfaktoren reagieren – auf Licht, Temperatur, Wasser und Nährstoffe. Präzise, reproduzierbar und in einer zuvor unerreichten Detailtiefe.

Altmann, der die insgesamt rund 13 Millionen Euro teure Anlage mitentwickelt hat, nennt sie ein »Fenster in die Physiologie von Kulturpflanzen«. Denn hier kann man nicht nur beobachten, wie Pflanzen wachsen – sondern auch, wie sie sich an veränderte Bedingungen anpassen und welche Rolle hierbei bestimmte Gene spielen. Für ihn ist die PhänoSphäre mehr als ein technisches Meisterwerk; es ist ein dringend benötigtes Werkzeug, um Antworten auf einige der drängendsten Fragen unserer Zeit zu finden: Wie reagieren Nutzpflanzen auf extreme Hitze oder anhaltende Trockenheit? Welche Sorten kommen mit plötzlichem Starkregen oder einer erhöhten CO₂-Konzentration in der Luft zurecht? Wie also sichern wir in der Zukunft die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung?

»Die klassische Feldforschung ist wichtig, aber sie stößt selbst bei Nutzung modernster Verfahren an Grenzen«, erklärt Altmann. Ergebnisse lassen sich nur schwer reproduzieren, die Möglichkeiten der Kontrolle sind eingeschränkt. Schließlich ist in der freien Natur kein Jahr wie das andere. Hinzu kommt: Viele klimatische Extremsituationen, die in Zukunft vielleicht häufiger auftreten – etwa Hitzewellen, Trockenperioden oder Starkregen –, kann man im Feld kaum gezielt untersuchen. Sie treten unregelmäßig auf und sind schwer vorherzusagen. »Wenn wir verstehen wollen, wie Pflanzen auf solche Stresssituationen reagieren, müssen wir sie gezielt erzeugen können«, sagt Altmann.

Feldnahe Bedingungen im Forschungslabor

In der PhänoSphäre lassen sich Lichtintensität und -spektrum, Luft- und Bodentemperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind sowie die CO₂-Konzentration präzise einstellen, gezielt variieren und exakt reproduzieren. Bloß Regen, Schnee oder Hagel können aufgrund der sensiblen Technik nicht simuliert werden. Auch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt würden das System an seine Leistungsgrenzen bringen und wären deshalb nur nach umfassenden technischen Anpassungen realisierbar.

In herkömmlichen Gewächshäusern und Klimakammern sind zwar ebenfalls etliche Umweltfaktoren steuerbar – beispielsweise Temperatur, Licht oder Luftfeuchtigkeit –, doch die Bedingungen sind oft konstant und wenig dynamisch, was der Realität nicht sehr nahekommt. Deshalb lassen sich die dort gewonnenen Erkenntnisse nur bedingt auf den Anbau in der freien Natur übertragen. Diese geringe Vergleichbarkeit ist ein großes Problem: Sorten, die im Gewächshaus vielversprechend wirken, können draußen ganz anders reagieren – etwa langsamer wachsen, anfälliger für Krankheiten sein oder schlechter mit Trockenstress zurechtkommen.

Dass die PhänoSphäre tatsächlich in der Lage ist, die Lücke zwischen Forschung und Realität zu schließen, konnte Altmann mit seinem Team in einem großen, über mehrere Jahre laufenden Experiment zeigen. Die Wissenschaftler stellten die Anbausaison 2016 mit auf freiem Feld aufgezeichneten Wetterdaten in der Anlage nach und dokumentierten, wie sich die Maispflanzen von der Aussaat bis zur Reife entwickelten. Das verglichen sie mit drei anderen Anbausituationen: mit einem realen Feldversuch aus dem Jahr 2016, einer Simulation mit über drei Saisons gemittelten Bedingungen und einer Anzucht im Gewächshaus. Dabei zeigte sich, dass das Wachstumsverhalten in der PhänoSphäre der natürlichen Entwicklung der Pflanzen auf dem Feld beeindruckend nahekam.

»Unsere Schlussfolgerung ist, dass es die Unregelmäßigkeit der Wettersituation von einem auf den nächsten und übernächsten Tag ist, die die starken Unterschiede in Wachstum und Entwicklung hervorruft«, sagt Altmann. Mal sind die Tage kühl, dann folgt wieder eine heiße Periode. Mal kommen regnerische Tage, dann wieder sonnige. »Dieses ständige Auf und Ab hat offenbar einen extrem starken Einfluss auf das gesamte Wachstum und den Entwicklungsfortschritt.« Weder im Gewächshaus, wo Temperaturen und Nährstoffangebot relativ konstant sind, noch in Experimenten, bei denen extreme Temperaturen durch Mittelwertbildung nivelliert werden, lasse sich das realistisch simulieren.

Schaut man sich in der PhänoSphäre um, wird schnell klar: Hier wird in großen Maßstäben gedacht. Die Halle mit ihrer sechs Meter hohen Decke und der Grundfläche von rund 1000 Quadratmetern hat beinahe etwas Einschüchterndes. Zutritt haben nur Ausgewählte; eine große Stahltür mit einer Lichtschranke versperrt den Eingang. Es herrscht Sicherheitsstufe 1: Darunter fallen laut Gentechnikgesetz jene gentechnischen Arbeiten, »bei denen nach dem Stand der Wissenschaft nicht von einem Risiko für die menschliche Gesundheit und die Umwelt auszugehen ist«. Das bedeutet beispielsweise, dass Fenster oder andere Öffnungen zu Belüftungszwecken geöffnet werden dürfen. Das versehentliche Freisetzen von gentechnisch verändertem Material soll jedoch auf das geringstmögliche Maß reduziert werden.

Das Innere des Forschungslabors ist in zwei hochspezialisierte Zonen unterteilt: das Rhizotron- und das Phenocrane-System. Während im Rhizotronsystem das Wurzelwachstum beobachtet und analysiert werden kann, erlaubt das Phenocrane-System eine vollautomatisierte Vermessung oberirdischer Pflanzenteile – mithilfe eines schienengeführten Kamerakrans, der sich über die gesamte Fläche bewegt. Gemeinsam ermöglichen beide Systeme eine ganzheitliche Betrachtung der Pflanze, von der Wurzel bis zur Blattspitze.

Insgesamt 360 Pflanzen können im Rhizotronsystem von zwei Bildaufnahmetürmen automatisch aufgenommen werden: Je eine monochrome Kamera und zwei hochauflösende RGB-Kameras untersuchen darin parallel das Wurzel- und Sprosswachstum. Durch die geringe Breite der Wurzelkästen von nur fünf Zentimetern werden die Wurzeln gezwungen, hauptsächlich entlang transparenter Scheiben zu wachsen. »So machen wir den Teil der Pflanze sichtbar, der sonst im Boden verborgen ist«, erklärt Thomas Altmann. »Es ist hochspannend zu sehen, wie sehr sich die Wurzeln verschiedener Arten und Sorten unterscheiden und wie sie sich je nach Wasser- und Nährstoffangebot verhalten.« Auf diese Weise lässt sich etwa feststellen, welche Sorten stärker auf Nährstoffmangel oder -überschuss, auf Trockenstress, Staunässe oder Salzstress reagieren. So lassen sie sich gezielter auf die gewünschten Eigenschaften hin selektieren.

Kreativität ist gefragt, um Starkregen zu simulieren

Seit die PhänoSphäre im Jahr 2019 vollständig in Betrieb genommen wurde, konnten bereits mehrere Forschungsprojekte zu wichtigen Fragen der Nutzpflanzenforschung abgeschlossen werden. In einer Kooperation mit einem der größten deutschen Pflanzenzuchtunternehmen sowie mit den Universitäten Bielefeld, Hannover und Kaiserslautern ging es etwa darum, eine Rapssorte mit gleichbleibend guter Keim- und Lagerfähigkeit zu identifizieren – unabhängig von Einflüssen durch Extremwetter. Die Züchter hatten festgestellt, dass sich eine Trockenphase während der Blüte und heftige Regenfälle zur Zeit der Samenreifung negativ auf die Lagerfähigkeit und die Saatgutqualität insgesamt auswirken.

Anhaltende Trockenheit in der PhänoSphäre zu simulieren, ist problemlos möglich: Es wird einfach die Bewässerung abgedreht. Starkregen nachzuahmen, erfordert jedoch einiges an Kreativität. »Obwohl wir wegen der empfindlichen Technik keine Möglichkeit haben, echten Niederschlag zu simulieren, der von oben auf die Pflanzen herabfällt, haben wir einen Weg gefunden, ein solches Extremwettereignis nachzustellen«, erzählt Thomas Altmann. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter seien an drei Tagen in der Woche mit Sprühgeräten durch die PhänoSphäre gelaufen, um die Pflanzen nasszuspritzen. Außerdem sei die Tropfbewässerung hochgedreht und die Luftfeuchtigkeit auf das Maximum eingestellt worden.

Es zeigte sich in den Experimenten, dass die Samen einiger Rapssorten nach starken Regenfällen bereits an der Pflanze anfingen zu keimen; die Anfälligkeit dafür unterschied sich stark zwischen den verschiedenen Linien. Der nächste Schritt ist nun, die dahinterliegenden molekularen Prozesse zu verstehen, um die unerwünschte vorzeitige Keimreaktion zu unterbinden. Dafür nutzen die Forscher sehr umfangreiche molekularbiologische und biochemische Datensätze und greifen auf Techniken wie die Genschere CRISPR-Cas zurück, mit der sich das Erbgut gezielt modifizieren lässt. »Im besten Fall erzeugen wir so Pflanzen, die sowohl mit Trockenstress als auch mit extremen Niederschlägen zurechtkommen«, sagt Altmann. Denn wer kann schon bei der Aussaat vorhersehen, wie das Wetter des kommenden Jahres werden wird?

In einer Kooperation mit südkoreanischen Partnern wiederum lautete das Ziel, Sojapflanzen ausfindig zu machen, die gut mit Staunässe zurechtkommen, um sie auf ehemaligen Reisfeldern anbauen zu können. Weltweit wächst die Nachfrage nach Produkten aus Sojabohnen, beispielsweise für Sojasoße, Joghurt, Tofu und generell als alternative Proteinquelle zu tierischen Erzeugnissen. Schnell stellte sich heraus, dass die meisten Sorten ihr Wachstum einstellen oder sogar absterben, sobald ihr Wurzelsystem zu lange unter Wasser gerät. Der Grund: akuter Sauerstoffmangel. In einem überfluteten Boden wird die Wurzelatmung beeinträchtigt, sodass die Pflanzen nicht die für Wachstum und Nährstoffaufnahme erforderliche Energie erzeugen können.

Es scheint kaum noch vorstellbar, dass sich die Pflanzenzüchter von einst durch wiederholtes Ausprobieren und Beobachten mühsam an die gewünschten Eigenschaften herantasten mussten

Tolerante Sorten scheinen darauf zu reagieren, indem sie neue Wurzeln in Bodennähe bilden, schneller wachsen, um dem Stress zu begegnen, oder ihren Stoffwechsel anpassen, um der Staunässe entgegenzuwirken. »Um gezielt Sorten entwickeln zu können, die gleichzeitig einen sehr hohen Ertrag erzielen und sehr widerstandsfähig gegen Staunässe sind, ist es wichtig, die Reaktionen der Wurzeln zu betrachten«, erläutert Thomas Altmann. »Der Trick besteht darin, ein Optimum zwischen den Investitionen der Pflanze in widerstandsfähige und leistungsfähige Wurzeln und in die ertragsbildenden oberirdischen Pflanzenteile zu finden.« Es gelte, die Gene zu identifizieren, in denen potenziell nützliche Pflanzenmerkmale angelegt sind, um geeignete Ziele für züchterische Eingriffe zu finden und Entscheidungen auf einer validen Datengrundlage treffen zu können.

Dazu setzen die Wissenschaftler künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen ein. »Ohne solche Hilfsmittel würden wir der Daten, die wir produzieren, gar nicht mehr Herr werden«, sagt Altmann. Insbesondere in der Bildauswertung und der Analyse großer Datenmengen kommen selbstlernende Algorithmen zum Einsatz. Und inzwischen unterstützt KI auch dabei, Genabschnitte zu identifizieren, die für bestimmte Eigenschaften wie Keimfähigkeit oder Trockentoleranz zuständig sind. »Das hilft uns, Gene gezielt zu modifizieren, statt sie nur ein- und auszuschalten, und außerdem wollen wir durch KI-Unterstützung besser vorhersagen können, wie sich die Veränderung auf den Phänotyp auswirken wird.« Es erscheint kaum noch vorstellbar, dass sich die Pflanzenzüchter von einst durch wiederholtes Ausprobieren und Beobachten über Jahre und Jahrzehnte hinweg mühsam an die gewünschten Eigenschaften herantasten mussten.

Die Wetterszenarien, die in der PhänoSphäre nachgestellt werden, sind weit mehr als bloße Fiktion. Hier wird die Zukunft der Landwirtschaft erforscht. Was auf den ersten Blick lediglich wie ein überdimensioniertes Gewächshaus erscheinen mag, ist in Wahrheit ein präzises Werkzeug, das Wissenschaftlern hilft, die Realität von morgen besser zu verstehen – in all ihrer Komplexität und Unvorhersehbarkeit. Und vielleicht entscheidet sich genau hier, ob es gelingt, die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung auch unter extremen Klimabedingungen zu sichern.