Wärmemoleküle schützen Pflanzen vor Kältewellen
Einige Pflanzen leiden bei Kältewellen enorm. Mehr Resilienz gegen Kälte bedeutet mehr Produktivität, eine längere Vegetationsperiode und den Anbau in Gebieten, in denen zuvor die Gefahr von Frostschäden bestand. Aus größerer Perspektive könnte mehr Ernährungssicherheit folgen. Im EU-finanzierten Projekt BoostCrop wurden natürliche wärmespendende Moleküle erkannt, die auf die Pflanzen aufgesprüht werden können. „Wir nennen sie molekulare Heizungen: Sie wirken wie Heizdecken, die die Pflanzen vor plötzlichen Kältewellen schützen“, erklärt der Projektkoordinator Vasilios Stavros, Professor für Physikalische Chemie an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich. „Wir haben ein bestimmtes Molekül in Pflanzen erkannt, das Licht in bestimmten Spektren absorbiert, ohne die Photosynthese der Pflanze zu stören. Die Pflanze wandelt diese Lichtenergie in Wärme um, die dann über das Blatt verteilt wird.“ „Das war das Ausgangsmolekül. Wir wussten, dass es nicht toxisch ist, und wollten versuchen, ausgehend von diesem natürlichen Molekül neue zu gestalten, die in ein Blattspray integriert werden können.“
Bioinspirierte Wärmemoleküle für das Pflanzenwachstum
In einem agrotechnischen KMU kamen Sachverständige aus Chemie, Physik und Biologie zusammen. Unter fachlicher Beratung zur Schaffung von Molekülen, die durch die Natur inspiriert sind, überlegte das Team, mit welchen neuen Molekülen das Licht in Blättern besser in Wärme umgewandelt werden könnte. Mit einer Kombination aus umweltfreundlicher synthetischer Chemie, Spektroskopie und theoretischer Modellierung entwickelte das Team mehrere neue Moleküle und testete sie unter simulierten Bedingungen in einer Wachstumskammer.
Die Kandidaten eingrenzen
„Wir konnten im Labor erfolgreich nachweisen, dass mit der Anwendung des Moleküls und bei UV-A/B-Strahlung die Pflanze und das Blatt deutlich wärmer waren“, berichtet Stavros. „Die schnelle Umwandlung von Energie in Wärme durch das Molekül ist essenziell, damit die Idee der molekularen Heizung Wirkung zeigt.“ In einem vorherigen EU-finanzierten Projekt, NatuCrop, ging es darum, Pflanzen natürlich vor Hitze und anderen Stressfaktoren zu schützen, um den Ertrag zu steigern. Doch laut Stavros waren einige der möglichen molekularen Heizungen nahezu unmöglich im Labor zu synthetisieren. Andere erwiesen sich als giftig und mussten verworfen werden, sodass nur drei neue Moleküle übrigblieben, die alle ersten Sicherheitstests bestanden. Diese Moleküle mussten in ein Produkt verwandelt werden, das auf die Pflanzen gesprüht werden kann und sich gleichmäßig auf dem Blatt verteilt, ohne Blasen zu bilden. Die Rezeptur muss auch in Containern für etwa 2 Jahre haltbar sein. Doch einige der Moleküle haben sich nach 2 bis 3 Stunden Bestrahlung aufgelöst und abgebaut, wodurch sie auch auf dem Feld nutzlos wären.
Feldversuche an Kulturpflanzen
Nach den Labortests wurden die Moleküle an Tomate, Gurke und Salat in Spanien und an Sommerweizen, Mais und Zuckerrübe in Deutschland getestet. Bei wochenlangen Experimenten wurde beobachtet, welche Moleküle den größten Temperaturunterschied bewirkten. Diese Feldversuche wurden durch die COVID-19-Pandemie unterbrochen, da das Team eine bestimmte Jahreszeit mit möglichen Frostschäden abpassen musste. Stavros kommentiert: „Durch COVID haben wir zwei Wachstumsperioden verpasst.“ Dennoch konnte bei den Versuchen eine Ertragssteigerung nachgewiesen werden, die genauso gut oder besser ausfiel wie mit kommerziellen Pflanzenhilfsmitteln. Stavros fasst am Ende des 5-jährigen Projekts zusammen: „Wir konnten knapp ein Kilogramm des gewünschten Moleküls synthetisieren und erfolgreiche Feldversuche durchführen. Das ist ziemlich unglaublich.“ Der nächste Schritt ist die Kommerzialisierung – nach einer ersten Kostenanalyse ist das tragbar.
Schlüsselbegriffe
BoostCrop, Resilienz, natürliches Molekül, umweltfreundliche Chemie, Spektroskopie, Frostschäden, Ernte, Ertrag
