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Pflanzen strahlen aus, was in ihnen vorgeht

Landwirte wollen das Wachstum ihrer Nutzpflanzen möglichst gut unter Kontrolle haben, um die Erträge zu optimieren. Die Forschungsgruppe von Dr. Claus Buschmann am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist in der Lage, Blätter und Früchte von Wein und anderen Pflanzen gewissermaßen zu „durchleuchten“. Die Forscher schließen ausgehend von Reflexions- und Fluoreszenzdaten auf photosynthetische Aktivität, Reifegrad oder Stresssymptome. Eines der Ziele ist es, handliche Geräte zu entwickeln, mit denen Kontrollmessungen direkt auf dem Feld schnell und einfach durchgeführt werden können. Das physiologische Monitoring von Feldern und Wäldern wird schon versuchsweise aus kleineren Entfernungen (Traktor, Flugzeug) genutzt, könnte aber irgendwann auch vom All aus möglich sein.

Privatdozent Dr. Claus Buschmann vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) © privat

Die Photosynthese ist der Grund, warum das Leben auf unserem Planeten in seiner heutigen Form existiert. Die Umwandlung der Sonnenenergie in Zucker und andere energiereiche Metaboliten durch grüne Algen und Pflanzen ermöglichte die Entstehung von tierischen Organismen und steht am Anfang jeder Nahrungskette, die bei uns Menschen endet. Auf dem komplexen biochemischen Prozess im Inneren der grünen Teile einer Pflanze liegt das Hauptaugenmerk von Dr. Claus Buschmann und seiner Forschungsgruppe am Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Dabei ist die Grundlagenforschung nicht nur Ziel, sondern auch Mittel. Denn die Methoden der Forscher eignen sich als Werkzeuge sowohl für die Umweltforschung als auch für die Agrarindustrie. „Weil wir mit unseren Fluoreszenz- und Reflexionsmessungen bis tief in die physiologischen Prozesse im Inneren eines Pflanzenblatts oder einer Frucht hineinschauen können, können wir Parameter messen, die auch für Landwirte interessant sind“, sagt Buschmann.

Energie, die viel über das Innere verraten kann

Das Blatt einer Pflanze ist vollgestopft mit Chlorophyll, also dem Molekül, das Sonnenenergie absorbieren kann. Bei dieser Absorption werden Elektronen kurzfristig in einen höheren energetischen Zustand angehoben. Beim Zurückfallen in den Grundzustand geben sie Energie ab, die für biochemische Prozesse wie die Zuckersynthese verwendet wird oder aber in Form von Fluoreszenzlicht „verpufft“. Je mehr Photosynthese die Pflanze macht, desto weniger Energie strahlt sie demnach in Form von Fluoreszenz wieder ab. „Genau diesen Umstand können wir uns zunutze machen, um mit einem Fluoreszenzspektrometer zu messen, wie hoch die Photosyntheserate einer Pflanze gerade ist“, erklärt Buschmann. Es gilt: Je mehr Fluoreszenzlicht, desto geringer die Photosyntheseleistung und umgekehrt.

Zu sehen ist ein Band aus grünen Kreisen, in das ein breiter Pfeil hineinzeigt und von dem vier schlankere Pfeile wegzeigen.
Die Lichtenergie, die in ein Pflanzenblatt eingestrahlt wird, wird in verschiedene Energieformen wie Wärme oder Fluoreszenzlicht umgewandelt oder reflektiert. © Dr. Claus Buschmann

Hinzu kommt, dass auch andere Moleküle im Inneren einer Pflanzenzelle fluoreszieren können, etwa sekundäre Pflanzenstoffe wie die Ferulasäure. Sie sind wichtige Bestandteile des pflanzlichen Stoffwechsels, und die Intensität ihrer Fluoreszenz kann den Forschern viel über den physiologischen Zustand einer Pflanzenzelle in einem Blatt oder in einer Frucht verraten. Schließlich setzen die Wissenschaftler um Buschmann auch Geräte ein, die sogenannte Reflexionsspektren messen können. Diese Spektren ergeben sich aus der Abstrahlung bestimmter Lichtwellenlängen, die im Inneren einer biologischen Probe nicht absorbiert werden. Auch sie können viel über die Konzentrationen von Metaboliten verraten, die für die Photosyntheseleistung, den Reifegrad einer Frucht oder die Aktivität der Stressabwehrmaschinerie wichtig sind. Buschmann und sein Team haben mit ihren Spektrometern ein wichtiges Monitoring-Werkzeug in der Hand. Das Gewebe von Blättern und Früchten stellt eine heterogene optische Probe dar, in der durch Streuung, Reflexion und Brechung Licht verteilt wird. Zu diesem Thema organisiert Buschmann im Herbst dieses Jahres den dritten "Leaf Optic"-Workshop mit Fachkollegen aus Europa, USA und Japan.

Zu sehen sind zwei Weinblätter, links: ein grünes Weinblatt, rechts: ein Weinblatt in Blautönen.
Dieses Weinblatt ist von einem Pilz infiziert. (Links: Foto. Rechts: Fluoreszenzaufnahme). © Dr. Claus Buschmann

Wachstumskontrolle aus dem All?

Als Grundlagenwissenschaftler messen Buschmann und seine Mitarbeiter auch, was in Pflanzen passiert, die im Schatten anderer Pflanzen wachsen und somit nur grünes Licht zur Verfügung haben. Außerdem entwickeln sie mit Kooperationspartnern von der Technischen Universität in Budapest gerade Geräte weiter, die handlich und einfach zu bedienen sind sowie ein Feedback-gestütztes Messverfahren erlauben. Dieses Verfahren passt das eingestrahlte Licht, das die Probe zum Beispiel zur Fluoreszenz anregen soll, laufend an die schwankende Photosyntheseleistung der Probe an und erlaubt damit eine optimale und energieeffiziente Einstrahlungsintensität. Aber bei solchen grundlagenwissenschaftlichen Fragestellungen bleibt es nicht. Zurzeit führen die Forscher zwei große Projekte mit der Agrarindustrie durch, bei denen die Gerste, die Zuckerrübe und der Wein im Fokus stehen.

Handgerät zur Messung von Reflexion und Fluoreszenz von Weintrauben auf dem Feld. © Dr. Claus Buschmann
Bei den ersten beiden Nutzpflanzen werden mit Hilfe einer hochempfindlichen Kamera relevante Fluoreszenzdaten erfasst. Ein umfassendes und nichtinvasives Monitoring von physiologischen Parametern über den gesamten Lebenszyklus hinweg soll Erträge optimieren helfen - unter Laborbedingungen genauso wie auf dem Feld. Und auch im Wein-Projekt geht es um die physiologischen Veränderungen im Inneren von Blättern und Früchten. Wie viel Zucker wird wann in welchem Gewebe gebildet? Wann ist die optimale Konzentration von relevanten Säuren und Geschmacksstoffen erreicht? In diesem Projekt ist die Teilaufgabe der Karlsruher, ein Handspektrometer zu optimieren, mit dem der Winzer selbst alle für ihn wichtigen Parameter direkt in seinem Weinstock überwachen kann.

Diese bodenständigen Forschungsinteressen der Karlsruher sind allerdings nicht alles. „In Zukunft sehen wir die Möglichkeit, ganze Anbaugebiete aus der Ferne zu erkunden, zum Beispiel mit Hilfe von Satelliten“, sagt Buschmann. Spektrometrie aus dem All? Ein schwieriges Unterfangen, denn die Fluoreszenz im Pflanzengewebe ist ein sehr schwaches Signal. Dieses schwache Signal aus so großer Entfernung aufzufangen, ist im Kontext des allseits präsenten Sonnenlichts nicht einfach. Zur Lösung dieses Problems wollen die Karlsruher Forscher einen Beitrag leisten. Und ganz nebenbei verfolgt Buschmann auch die Entwicklung auf dem Feld der Bioenergiegewinnung aus künstlichen Photosynthese-Systemen. „Viele Forscher wollen lernen, das über Jahrmilliarden entwickelte System der Photosynthese künstlich nachzubauen“, sagt er. „Diese Bemühungen verfolgen wir mit Interesse und können eines Tages vielleicht etwas dazu beitragen.“
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/pflanzen-strahlen-aus-was-in-ihnen-vorgeht