Für Landwirte und Hobbygärtner 20.04.2020, 07:00 Uhr

Sensor aus Kohlenstoff-Nanoröhren erkennt Stress bei Pflanzen

Wasserstoffperoxid ist ein universelles Signalmolekül, das Stress bei Nutzpflanzen bestimmt. Mit Sensoren auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt sich dieser Marker bestimmen – und Landwirte erhalten eine Warnung auf ihrem Smartphone.

Schädlinge an Pflanzen

Schäden an Pflanzen erkennen, bevor es zu einer massiven Zerstörung von Blättern kommt – das wollen US-Forscher mit einem neuen Sensor erreichen.

Foto: panthermedia.net/lnzyx

Trockenheit, Schädlinge oder eine große Dosis an UV-Strahlung schädigen Pflanzen. Sind Blätter oder Wurzeln erst einmal zerstört, lässt sich kaum noch etwas unternehmen. Deshalb suchen Ingenieure zusammen mit Biochemikern schon länger nach Möglichkeiten, um Stress im Feld frühzeitig zu erkennen. Davon könnten perspektivisch Landwirte, aber auch Menschen ohne den sprichwörtlichen „grünen Daumen“ profitieren.

Jetzt haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge Sensoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt. Ihnen ist es gelungen, die Reaktion von Pflanzen auf Belastungen wie Verletzungen, Infektionen und Lichtschäden genau zu verfolgen. Dabei können Sensoren in Pflanzenblätter eingebettet werden, um Wasserstoffperoxid als Signalmolekül nachzuweisen.

Nanotechnologie für den Pflanzenschutz

In den letzten Jahren hat das Labor von Michael Strano das Potenzial von „nanobionischen Pflanzen“ untersucht, also von Pflanzen, die Nanomaterialien enthalten, was zu neuen Eigenschaften führt. Strano ist Professor für Chemieingenieurwesen am MIT. Im Rahmen einer neuen Studie zeigt er, dass man Sensoren einzubauen kann, welche den Gesundheitszustand direkt erfassen.

Strano hat Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt, die verschiedene Moleküle, einschließlich Wasserstoffperoxid, erfassen. Vor ungefähr drei Jahren begann sein Doktorand Salim Lew, diese Sensoren in Pflanzenblätter zu integrieren. Er arbeitete mit Arabidopsis thaliana, der Acker-Schmalwand, einer beliebten Laborpflanze. Sie wächst ansonsten als Unkraut in Äckern. Eine Zufallsentdeckung des Doktoranden führte letztlich zur Idee, Sensoren zu konstruieren, die pflanzlichen Stress nachweisen.

Wasserstoffperoxid als Notruf-Signal

Das kam so: Lew verwendete im Labor eine Methode namens LEEP (Lipid Exchange Envelope Penetration), um die Sensoren in Pflanzenblätter zu integrieren. Damit gelingt es, Nanoröhrchen so einzubauen, dass sie die Zellmembranen, sprich mit dem Stoffwechsel von Zellen in Verbindung stehen.

Bei seinen Experimenten machte der Forscher eine wichtige Entdeckung. Er sah, dass nach einer Blattverletzung Wasserstoffperoxid aus der Wundstelle freigesetzt wurde und eine chemische Welle erzeugte, die sich entlang des Blattes ausbreitete, ähnlich wie Neuronen elektrische Impulse im menschlichen Gehirn übertragen. Wenn eine Pflanzenzelle Wasserstoffperoxid produzierte, führte dies zur Ausschüttung von Calcium-Ionen in benachbarten Zellen – und im nächsten Schritt ebenfalls zur Produktion von Wasserstoffperoxid. Diese Chemikalie regte Pflanzenzellen an, weitere Moleküle zu produzieren, etwa Flavonoide oder Carotinoide. Sie helfen, Schäden zu reparieren oder Fraßfeinde zu vertreiben.

Im Labor testeten die Forscher Erdbeerpflanzen, Spinat, Rucola, Salat, Brunnenkresse und Sauerampfer. Unabhängig von der Pflanzenart war Wasserstoffperoxid immer der Auslöser der chemischen Welle. Unterschiede gab es beim zeitlichen Verlauf. Denn jede Art scheint anders auf Stress zu reagieren.

Biochemische Mechanismen verstehen, Erträge optimieren

Strano und seine Kollegen arbeiten auch daran, die neue Messmethode vom Labor in eine praxistaugliche Form zu überführen. Ihre Sensoren erzeugen eine Fluoreszenz im nahen Infrarotbereich des Spektrums. Eine kleine, wetterfeste Infrarotkamera erfasst die Signale und überträgt sie an einen Raspberry Pi, sprich einen Minicomputer. Dieser sendet Informationen an ein Smartphone, sollten Pflanzen geschädigt werden. Das war im Experiment deutlich früher möglich, verglichen mit Begehungen von Feldern.

Strano sieht weitere Einsatzmöglichkeiten in der Forschung, um durch bessere Wachstumsbedingungen Erträge zu optimieren. Ein Problem, das er angehen möchte, sind biochemische Effekte als Reaktion auf Schatten, falls zu viele Pflanzen dicht an dicht wachsen. Sie aktivieren eine Stressreaktion, und stecken ihre ganze biochemische Energie in ihr Wachstum, anstatt Samen oder Früchten zu produzieren, und der Ernteertrag verringert sich. „Mit unserem Sensor können wir dieses Stresssignal frühzeitig abfangen und die Bedingungen und Mechanismen in Pflanzen verstehen“, hofft der Wissenschaftler.

Erste Erfolge der Sensortechnik

Bereits vor drei Jahren zeigten Forscher seine Arbeitsgruppe, dass sich Nanosensoren per Drucktechnik auf Blätter auftragen lassen. Ihre „Drucktinte“ enthielt Kohlenstoff-Nanoröhren. Diese elastischen Strukturen wurden über Spaltöffnungen positioniert. Darunter versteht man kleine Poren in der Oberfläche eines Blattes, durch die Wasser verdunsten kann. Auch der Gasaustausch läuft über Spaltöffnungen. Sind diese zu, entsteht ein geschlossener Stromkreis. Durch Messung dieses Öffnens und Schließens über einige Tage unter normalen und trockenen Bedingungen stellten die Forscher fest, dass sie innerhalb von zwei Tagen erkennen können, ob eine Pflanze unter Wasserstress steht.

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Von Michael van den Heuvel

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