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Bild: Betsy Skrip

Pflanzen senden SOS bei Wassermangel

08 November 2017 | aktualisiert 09 November 2017

Ingenieure vom MIT in Cambridge haben Sensoren entwickelt, die auf Pflanzenblätter gedruckt werden können. Diese elektronischen Schaltungen geben bei Dürre ein Signal. Dies könnte eine wichtige Entwicklung in Zeiten des Klimawandels werden.

Im Rahmen des Klimawandels werden Hitzewellen und Dürreperioden häufiger und länger anhaltend. Allein in diesem Sommer litt der Süden Europas wochenlang unter extremer Hitze mit anhaltender Trockenheit. In Folge des Klimawandels werden Ernteausfälle durch Wassermangel ebenfalls häufiger auftreten. Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Michael Strano, Professor für chemische Technik am MIT, hat jüngst einen Sensor entwickelt, der insbesondere Kulturpflanzen helfen soll, rechtzeitig ein Alarmsignal bei drohendem Wassermangel abzugeben.

Pflanzenporen unter die Lupe genommen

Wenn der Boden austrocknet, verlangsamen die Pflanzen ihr Wachstum, verringern ihre photosynthetische Aktivität und erleiden Schäden an ihrem Gewebe. Einige Pflanzen beginnen zu welken, andere zeigen jedoch überhaupt keine sichtbaren Anzeichen. Der neue MIT-Sensor nutzt die Stomata der Pflanzen, dies sind kleine Poren in der Oberfläche eines Blattes, die das Wasser verdampfen lassen. Verdunstet Wasser aus dem Blatt, fällt der Wasserdruck in der Pflanze, dadurch zieht die Pflanze neues Wasser aus der Erde. Die Stomata reagiert jedoch auch auf Helligkeit, sie öffnet sich bei Tageslicht und schließt sich bei Dunkelheit. Diese Dynamik des Öffnens und Schließens ist bislang wenig untersucht, da es kaum Möglichkeiten gab, diese direkt in Echtzeit zu messen.

Das Team um Strano untersuchte dieses Öffnen und Schließen der Poren über einige Tage unter normalen und trockenen Bedingungen. Dabei stellten die Forscher fest, dass die Pflanzenporen einer ausreichend bewässerten Pflanze ungefähr sieben Minuten brauchen, um sich nach einer Belichtung zu öffnen und 53 Minuten, um sich bei Dunkelheit wieder zu schließen. Diese Zeiträume ändern sich unter trockenen Bedingungen, dann benötigt die Pflanze etwa 25 Minuten zum Öffnen und 45 Minuten zum Schließen ihrer Stomatas. „Forscher wissen schon länger, dass die Stomata auf Licht, Kohlendioxidkonzentration und Dürre reagieren, aber jetzt haben wir genauere Informationen und können diese kontinuierlich überwachen“, so Volodymyr Koman, Hauptautor der aktuellen Studie.

Schnellster bisheriger Dürrealarm

Und genau diese Überwachung erfolgt mit einem elektronischen Sensor, bestehend aus Kohlenstoffnanoröhrchen, die in einer Tinte auf das Pflanzenblatt aufgetragen werden. Diese winzigen hohlen Röhren aus Kohlenstoff sind elektrisch leitend und messen den Stromfluss auf dem Blatt. Schließen sich die Pflanzenporen, fließt ein Strom, sind die Poren geöffnet, ist der Stromkreis unterbrochen. Dadurch können die Forscher sehr genau messen, wann eine einzelne Pore offen oder geschlossen ist. „Dies scheint der früheste Indikator für Dürre zu sein, den wir je für landwirtschaftliche Anwendungen hatten“, sagt Strano. „Es ist schwer, diese Informationen auf andere Art und Weise zu bekommen. Man kann Sensoren in den Böden haben oder Satellitenbilder auswerten. Trotzdem weiß man nicht wirklich, wann eine Pflanze unter dem Wassermangel leidet.“

Auswirkung auf zukünftige Landwirtschaft

Das Forscherteam hat bereits Kontakt mit einem großen landwirtschaftlichen Unternehmen für eine Zusammenarbeit aufgenommen, um diese Sensoren für den Einsatz in Kulturpflanzen zu testen. „Diese neue Technologie könnte große Auswirkungen auf die zukünftige Landwirtschaft haben, bei der es insbesondere durch den Klimawandel zu Wassermangel und Veränderungen der Umgebungstemperatur kommen wird“, so die Wissenschaftler. „Auch die Entwicklung dürreresistenter Pflanzen könnte mit den neuartigen Sensoren vorangetrieben werden“, so Strano abschließend.