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Pflanzen-EKG – wenn Gewächse Alarm schlagen

Pflanzen haben zwar kein Nervensystem, sind aber dennoch in der Lage, elektrische Signale innerhalb des Organismus weiterzuleiten und zu verarbeiten. Die Signale entstehen im Zusammenhang mit Beutefang und Feindabwehr sowie bei der Produktion und Abgabe von Duftstoffen, über die Pflanzen miteinander kommunizieren können. Die Kirchheimer Lehner GmbH entwickelt Sensorsysteme, um spezifische elektrische Signale zu detektieren und für den Pflanzenbau zu nutzen.

Ein Mehltau-Befall im Weinberg kann mithilfe des Pflanzen-EKGs detektiert werden. © Lehner GmbH

Lehner Junior hatte sich auf biotechnologische Fragestellungen spezialisiert und befasste sich in seiner Doktorarbeit mit zirkadianen Rhythmen bei Pflanzen (zirkadian: innere Periodenlängen von zirka einem Tag). Betreut wurde die teilweise DFG-geförderte Arbeit von Prof. Dr. Edgar Wagner, einer Koryphäe in Sachen Chronobiologie. Wagner untersuchte unter anderem Tag-und-Nacht-Rhythmen am Gänsefuß (Chenopodium). Die Blätter der Pflanze liegen nachts eng am Stängel an (Nachtstellung) und breiten sich tagsüber aus (Tagstellung). „Wir haben festgestellt, dass das Längenwachstum der Pflanzen in definierten Perioden erfolgt. Unterschiedliche Tageslichtperioden beeinflussen die Blattstellung und das Längenwachstum der Pflanzen. Ebenso weiß man, dass der Zeitpunkt der Blütenbildung über die mit den Blättern erfasste Tageslichtlänge beeinflusst wird. Die Phänomene Wachstum, Blattstellung und Zeitpunkt der Blütenbildung sind miteinander gekoppelt", erklärt Lehner.

Diese Befunde warfen neue Fragen auf: Wenn die Blattstellung und das Längenwachstum der Sproßachse als Indikator für die Blühinduktion fungieren, wie wird beides miteinander gekoppelt? „Wir wollten wissen, ob an diesem Phänomen elektrische Signale beteiligt sind. Elektrische Signale bei Pflanzen sind zwar schon lange bekannt, aber in diesem Zusammenhang noch nicht spezifisch untersucht worden“, sagt Lehner. Um genau das zu tun, mussten die Forscher zunächst ein System für die Langzeitmessung entwickeln und zwar eines, dass die Pflanze weder verletzt noch sonst wie beeinträchtigt. „Jede Verletzung an der Pflanze triggert Signale, die das Messergebnis verfälschen würden. Deshalb mussten wir eine sehr schonende Methode finden“, so Lehner.

Das war die Geburtsstunde des Pflanzen-EKGs. Ähnlich wie beim humanmedizinischen Pendant werden der Pflanze Elektroden angelegt. Dabei werden spezifische Ausführungen eingesetzt, da invasive Methoden ausscheiden. “Beim Gänsefuß verwenden wir ein Kontaktgel, das auch der Arzt beim EKG verwendet. Bei Arabidopsis und einigen anderen Pflanzen die wir ausprobiert haben, funktioniert das jedoch nicht“, sagt Lehner. Je nach Pflanzenart muss das Kontaktmittel also angepasst werden. Der richtig knifflige Teil ist laut Lehner jedoch die Ableittechnik und das Prinzip der Signalanalyse: „Für jede Pflanzenart muss ein spezifisches Elektrophysiogramm erstellt werden. In diesem sind die für verschiedene Pflanzenzustände charakteristischen Signalmuster hinterlegt. Dabei muss man berücksichtigen, dass elektrische Signale bei Pflanzen ihren eigenen Gesetzmäßigkeiten folgen. Beim Gänsefuß zum Beispiel dauert es bis zu fünf Minuten, bis sich ein Aktionspotenzial aufbaut.“

Das perfekte Frühwarnsystem

Mit diesem Sensorsystem werden elektrische Signale an einer Weinrebe registriert. © Lehner GmbH

Lehner gelang es schließlich, sowohl Aktions- als auch Variationspotenziale aufzuzeichnen und ihre Verteilung über den Tag zu charakterisieren. Außerdem konnte er nachweisen, dass gewisse Signalmuster beim Gänsefuß mit dem Zeitpunkt der Blühinduktion korrelieren: „Das bedeutet, dass man mithilfe der Elektrophysiogramme in der Lage ist, den Zeitpunkt der Blüten- und Fruchtbildung abzuschätzen - lange bevor äußerlich eine Blütenbildung erkennbar ist." Inzwischen kennen die Forscher eine ganze Reihe spezifischer Signalmuster, die bei bestimmten Umweltreizen auftreten. Beispiel Wassermangel: „Bei extremem Wasserstress sind hochfrequente Abfolgen von Aktionspotenzialen nachweisbar", so Lehner.

Für den kommerziellen Pflanzenbau sind die Signalmuster bei Schädlingsbefall hoch interessant. So ruft ein Mehltaubefall bei der Weinrebe charakteristische Muster von Aktionspotenzialen hervor. Noch ist es Zukunftsmusik, aber schon bald könnten Weinberge mit Sensorsystemen bestückt werden, die Alarm schlagen, wenn der gefürchtete Pilz auftaucht. Der große Vorteil: Der Winzer könnte gezielt spritzen, um zu verhindern, dass sich der Pilz weiter ausbreitet. Ganz komfortabel würde es, wenn das Sensorsystem mit einem Funknetz gekoppelt würde: Der Winzer bekäme dann per SMS direkt aus dem Weinberg Bescheid, wenn sich dort Verdächtiges tut. Die Messsysteme für solche Anwendungen sind zurzeit bei der LEHNER GmbH in der Entwicklung und sollen noch dieses Jahr in den Handel kommen. Die Kosten für den Anwender schätzt Lehner auf wenige hundert Euro, „bezogen auf ein homogenes, etwa fußballfeldgroßes Areal, bei dem zehn Pflanzen mit einer Messeinheit bestückt werden." Die kontaktierten Pflanzen dienen als Indikatorpflanzen für den Zustand der Gesamtkultur.

Blühzeitpunkt steuern – ganz ohne Gentechnik

Lehner denkt über die bald verfügbaren Alarmsysteme bereits hinaus. Wo man elektrische Signale messen kann, kann man sie auch manipulieren, so ein weiterer Ansatz. „Über spezifische Elektrostimulation können wir bei Pflanzen tatsächlich den Blühzeitpunkt triggern. Dabei muss die Pflanze einen bestimmten Mindestentwicklungsstand aufweisen. Wir gehen davon aus, dass neben der Stimulation auch die Verzögerung der Blütenbildung durch Applikation sogenannter Störsignale möglich ist“, so Lehner. Eine interessante Anwendung liegt darin, die Blütenbildung so lange hinauszuzögern, bis stabile, vorteilhafte klimatische Bedingungen eingetreten sind, die zum Beispiel keine Frostschäden für den Blütenbestand mehr befürchten lassen.

Lehners Vision: Für jede gewünschte Pflanzenart stehen dem Anwender Elektrophysiogramm-Datenbanken zur Verfügung, die ihm die Möglichkeit liefern, den Blühzeitpunkt zu triggern beziehungsweise zu verzögern und ihn darüber hinaus dabei unterstützen, den physiologischen Zustand und Bedarf seiner Kulturen zu erfassen.

Hilfe zur Selbsthilfe

Ein weiteres Projekt, das Lehner zusammen mit einem neuen Partner angehen will, ist die Abwehr von Fraßfeinden bei Kulturpflanzen wie dem Mais. In den letzten Jahren hat sich der aus dem Balkan eingeschleppte Maiswurzelbohrer oder -zünsler zu einem echten Problem entwickelt. Er frisst sich in die Maispflanze und kann ganze Ernten vernichten. „Der Befall müsste ein extremes Signalmuster hervorrufen, weil durch den Fraß essenzielle Gewebsverletzungen hervorgerufen werden“, vermutet Lehner. Er denkt in diesem Fall nicht nur an die Entwicklung eines Alarmsensors. Die beste Prophylaxe könnte erreicht werden, wenn man gesunde Pflanzen über ein elektrisches Signal veranlassen könnte, einen Signalstoff zu produzieren, der Feinde des Wurzelbohrers anlockt. „Maispflanzen können eine Substanz abgeben, die die Feinde anlockt. Wir wollen die auslösenden elektrischen Signale imitieren und auf gesunde Pflanzen übertragen“, sagt Lehner. Damit würde den Pflanzen Hilfe zur Selbsthilfe geleistet – im Idealfall ganz ohne Chemie.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/pflanzen-ekg-wenn-gewaechse-alarm-schlagen