Das Verfahren
SMARTtray® ist ein innovatives Hochdurchsatzverfahren für die Kultivierung und Gewebeentnahme verschiedener Pflanzenarten. Es wurde von erfahrenen Pflanzenzüchtern und Wissenschaftlern entwickelt, um den Herausforderungen der modernen Pflanzenzüchtung gerecht zu werden. Durch die stetig steigende Anzahl von Pflanzen, die für die DNA-Extraktion und markergestützte Selektion beprobt werden müssen, ist ein Engpass im Züchtungsprozess entstanden.
Das Kernelement von SMARTtray® ist die Kultivierung und anschließende Entnahme von Wurzelgewebe für alle Kreuzungsnachkommen im 96-Well-Format, wodurch zusätzliche Einzelpflanzenmanipulationen vermieden werden.
Diese Eigenschaft unterscheidet SMARTtray® von anderen Methoden, die auf der Entnahme von Blattgewebeproben von Einzelpflanzen basieren.
Wurzelgewebe ist für die Beprobung besonders geeignet. Durch geeignete Beleuchtung kann das Wurzelwachstum gezielt gesteuert werden, so dass in einem frühen Entwicklungsstadium der Pflanze viel Wurzelmasse zur Verfügung steht. Außerdem kann aus dem Wurzelgewebe mehr DNA in besserer Qualität gewonnen werden.
SMARTtray® automatisiert somit den bisher manuellen Prozess der Pflanzenprobennahme und gewährleistet eine effizientere, sicherere und kostengünstigere Durchführung.
Unsere Mission
Wir inspirieren, unterstützen und rüsten professionelle Pflanzenzüchter aus, um die Züchtung neu zu denken!
Der Engpass in der Züchtung, der durch die ständig wachsende Zahl der zu beprobenden Pflanzen entsteht, wird durch SMARTtray® effizient beseitigt. So können die Kunden neben der Prozesssicherheit auch erhebliche Effizienzeffekte realisieren.
SMARTtray®’s Entwicklung
In der Pflanzenzüchtung hat eine biotechnologische Revolution, die markergestützte Selektion (MAS) oder SMART Breeding, zu einer Beschleunigung der Sortenentwicklung geführt. Durch den Einsatz molekularer Marker können Gene im Züchtungsprozess verfolgt werden, ohne dass ihre vollständige Gensequenz bekannt ist. Dies ermöglicht die gezielte Auswahl von Pflanzen mit gewünschten Eigenschaften. Obwohl die MAS in der Pflanzenzüchtung zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die Entnahme von Blattgewebe für die anschließende DNA-Extraktion und MAS immer noch ein zeitaufwändiger, kostenintensiver und fehleranfälliger, manueller Arbeitsschritt.
Um diesen Engpass zu überwinden, wurde die Idee für SMARTtray® entwickelt.
Im Gegensatz zu halbautomatischen Lösungen auf dem Markt, die einzelne Schritte beschleunigen, bietet SMARTtray® als erstes Komplettsystem die Möglichkeit, den gesamten Workflow von der Kultivierung der Pflanzen, über die Probennahme bis hin zur markergestützten Selektion abzudecken. Ziel ist es, die Pflanzenzüchtung effizienter sicherer und kostengünstiger zu machen.
Die Kultivierungs- und Probennahmevorrichtung (SMARTtray® Device)
Diese Vorrichtung ermöglicht die Kultivierung und anschließende Probennahme von Pflanzen in einer 96-Well-Kultivierungsplatte.
Kundenspezifische Kultivierungslösungen
Es werden modular erweiterbare, kundenspezifische Kultivierungslösungen entwickelt.
Probennahmestation
Die Probennahmestation wurde konzipiert um die manuellen Arbeitsschritte auf ein Minimum zu reduzieren.
DNA-Extraktion
Modulare und skalierbare Extrationsmethoden.
Die Kultivierungs- und Probennahmevorrichtung (SMARTtray® Device)
Diese Vorrichtung ermöglicht die Kultivierung und anschließende Probennahme von Pflanzen in einer 96-Well-Kultivierungsplatte. Sie besteht aus insgesamt 5 Komponenten:
1. Kultivierungsplatte: Ermöglicht die Keimung von Samen und das Wachstum von jungen Pflanzen. Jede Vertiefung der Kultivierungsplatte hat eine Öffnung im Boden, durch die die Wurzeln der Sämlinge in den darunter liegenden Probenbehälter wachsen.
2. Messer: Zwischen der Kultivierungsplatte und der Schneidplatte befindet sich ein integriertes Messer, mit dem die Wurzeln der Pflanzen kontaminationsfrei abgetrennt werden, sobald sich im Probengefäß eine ausreichende Wurzelmasse gebildet hat.
3. Schneideplatte: Sie bildet zusammen mit dem Messer die Einheit zur Entnahme der Wurzelgewebe. Die Führungskanäle der Schneideplatte leiten die Wurzeln in die darunter liegende Position des Probenbehälters und schließen so Kreuzkontaminationen aus.
4. Klammern: Drei verschiedene Arten von Klammern halten die Komponenten der Kultivierungs- und Probenahmevorrichtung zusammen.
5. Probenbehälter: Der Probenbehälter ist eine standardisierte 96-well Platte, wie sie in jedem Labor verwendet wird. Somit erfolgt die Kultivierung und Probennahme direkt im Endformat und ein manuelles Umsetzen entfällt.
Kundenspezifische Kultivierungslösungen
Damit die jungen Pflanzen optimal keimen und wachsen können, werden sie unter kontrollierten Bedingungen angebaut. Die Anzucht erfolgt in einer geschlossenen „Exponential Farm“. Die Regalabstände innerhalb der Farm sind variabel einstellbar. Die Bewässerung erfolgt vollautomatisch. Weitere Parameter wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Beleuchtung sind ebenfalls dynamisch regelbar.
Die Farm muss nicht betreten werden und verfügt über diverse Kontrollmechanismen, um ein Höchstmaß an Hygiene zu gewährleisten. Die Dimensionen der Farm sind konfigurierbar und je nach Kundenanforderung skalierbar. Darüber hinaus ist das System modular erweiterbar.
Probennahmestation
Die Probennahmestation besteht aus einer Schneidemaschine, einer Entwässerungs- und einer Stanzeinheit. Diese Komponenten dienen dazu, die Anzahl der manuellen Arbeitsschritte auf ein Minimum zu reduzieren und gleichzeitig eine genaue und effiziente Probennahme zu ermöglichen.
DNA Extraktion
Abhängig von der Anwendung (Genotypisierungsplattform) stehen verschiedene DNA-Extraktionsmethoden zur Verfügung. Alle Extraktionsmethoden sind modular aufgebaut und skalierbar.
Der SMARTtray® Workflow
Einlegen des Saatguts
Die Kultivierungsplatte ist mit einem Substrat gefüllt. Mit Hilfe eines Vakuum-Saatgutdispensers wird das Saatgut in die einzelnen Vertiefungen der Kultivierungsplatte abgelegt. Die Wurzeln der Pflanzen wachsen durch die Bodenöffnungen, die Schneidlöcher und die Öffnungen der Schneidplatte in die entsprechenden Probenbehälter.
Kultivierung
Die Pflanzen werden automatisch unter kontrollierten Bedingungen kultiviert. LEDs ermöglichen eine gezielte Steuerung des Wurzel- und Sprosswachstums, im jeweiligen Stadium.
Probennahme
Sobald die Pflanzen genügend Wurzelmasse im Probengefäß entwickelt haben, schneidet eine Schneidemaschine die Wurzeln mit den in der Vorrichtung integrierten Messern ab, ohne die Entwicklung der Pflanze zu schädigen.
Entwässerung
Stanzen
Um Kreuzkontaminationen zu vermeiden, werden die Führungskanäle der Schneideplatte mit der Stanzeinheit in den Probenbehälter übertragen.
fortlaufende Kultivierung
Die intakten Pflanzen verbleiben in der Kultivierungsplatte und werden in der Kultivierungseinheit zurückgebracht, während das entnommene Wurzelgewebe zur DNA-Extraktion und markerunterstützten Selektion (MAS) ins Labor transportiert wird.
DNA-Extraktion
Je nach Anwendung kommen unterschiedliche und skalierbare DNA-Extraktionsmethoden zum Einsatz.
Markergestützte Selektion (MAS)
Selektion der Pflanzen
Nur die Pflanzen mit den gewünschten genetischen Eigenschaften werden für die weitere Kultivierung ausgewählt.
Der SMARTtray® Workflow automatisiert und beschleunigt den Prozess der Pflanzenzüchtung, indem er die Anzahl der manuellen Schritte auf ein Minimum reduziert und gleichzeitig eine präzise und effiziente Probennahme ermöglicht. Der gesamte Prozess von der Aussaat bis zur Selektion dauert mit SMARTtray® je nach Pflanzenart 10-14 Tage. Die schnelle Probennahme beschleunigt den Entscheidungsprozess um 8 bis 10 Tage im Vergleich zur herkömmlichen Methode.