Tragbare Elektronik enthüllt das geheime Leben von Pflanzen
Pflanzen scheinen untätig zu sein, aber sie reagieren aktiv auf ein breites Spektrum von Umweltreizen wie Licht, Temperatur, Gaskonzentrationen, Bodenchemie und Feuchtigkeit, die Präsenz von Insekten oder Säugetieren und andere Bedingungen. Viele Pflanzen verwenden kurzzeitige elektrische Signale, um die Geschwindigkeit der Photosynthese oder Atmung, die Wachstumsrate oder -richtung, die Emission von Chemikalien zur Abwehr von Pflanzenfressern und andere physiologische Reaktionen zu steuern. Wissenschaftler kennen diese Signale seit vielen Jahren, aber sie wurden wegen der Schwierigkeiten bei der Messung nicht praktisch angewendet, da sie im Verhältnis zu den elektromagnetischen Hintergrundgeräuschen sehr schwach sind. Das Horizont 2020-Projekt PhytlSigns hat mit der Entwicklung einer kostengünstigen, auf bioelektrischen Signalen basierenden Echtzeit-Überwachungsvorrichtung für Pflanzen einen Durchbruch erzielt. „PhytlSigns ist das erste ‚tragbare‘ Gerät für Pflanzen, das elektrische Signale nutzt und in eine digitale Form übersetzt, bevor es diese zur weiteren Analyse visualisiert. Durch die Verstärkung von Pflanzensignalen und die Reduzierung von Hintergrundgeräuschen können Forscher und Landwirte die Aktivität als Reaktion auf veränderte Bedingungen messen“, sagt Projektkoordinatorin Carrol Plummer. Kundenfeedback für Sensoren der nächsten Generation Das Projekt treibt die Kommerzialisierung von Echtzeitsensoren für Pflanzenelektrophysiologie voran und erweitert wissenschaftliche Studien durch die Erforschung kommerzieller Märkte. „Unsere größte Herausforderung besteht darin, effektive Wege zu finden, um einen Markt für PhytlSigns Biosensoren zu schaffen, da die Pflanzenelektrophysiologie relativ unbekannt ist. Wir haben die Anwender von PhytlSigns-Prototypen befragt und ihr Feedback genutzt, um die nächste Generation von Pflanzenelektrophysiologie-Sensoren zu verfeinern", erklärt Plummer. Außerdem wurde untersucht, wie Tomatenzüchter neue Tomatensorten entwickeln und Herbizidentwickler neue Formulierungen testen. Plummer erklärt dazu: „Diese Erkenntnisse haben bei der Entwicklung von Strategien geholfen, um unser Produkt wirksam auf den Markt zu bringen und sicherzustellen, dass wir in der Lage waren, unseren Markt angemessen zu identifizieren.“ Für Herbizidentwickler ist es klar, dass die Geräte von PhytlSigns eine schnellere Aussage über die Wirksamkeit einer Formulierung liefern als visuelle Hinweise. „Das Gerät ermöglicht dem Hersteller, seinen Produktentwicklungszyklus zu verkürzen, indem er es ähnlich wie ein akademischer Forscher einsetzt. Tomatenzüchter müssen Pflanzen jedoch viel länger überwachen und wollen Pflanzenstressoren frühzeitig erkennen. Ein professioneller Züchter wird die Sensoren auf vergleichbare Weise verwenden“, betont Plummer. Die wichtigsten Vorteile „In der Pflanzenelektrophysiologie ist die multidisziplinäre Forschung vielversprechend und steht im Mittelpunkt des Projekts. Wir freuen uns, Kontakte zwischen Informatikern und Biologen zu fördern“, sagt Plummer. PhytlSigns erkennt an, dass der Einsatz von maschinellen Lernalgorithmen wichtige Erkenntnisse bei der Verarbeitung von elektrophysiologischen Signalen in Pflanzen liefert. Wissenschaftler, die die elektrische Signalgebung oder das Zusammenspiel von chemischer, elektrischer und hydraulischer Signalgebung untersuchen, werden als erste von der innovativen Elektronik und der ausgeklügelten Signalverarbeitung der PhytlSigns-Sensoren profitieren. Die wichtigste Auswirkung ist jedoch die Anwendung von Echtzeit-Elektrophysiologie-Sensoren, um die Anzahl und Intensität der Eingriffe bei Gewächshauspflanzen wie Tomaten, Paprika oder Auberginen zu reduzieren. Pflanzen können sehr schnell Veränderungen bei der Bewässerung, der Nährstoffzufuhr und anderen Umweltbedingungen erkennen und diese Signale können von den Landwirten interpretiert werden, um die Bedingungen für ihre Kulturen zu optimieren. „Dies wird zu besseren Erträgen und geringeren Umweltbelastungen beim Anbau von Pflanzen führen, die für die menschliche Nahrungskette wichtig sind“ so Plummer abschließend.
Schlüsselbegriffe
PhytlSigns, Signal, Pflanzen, bioelektrisch, Biosensor