Revolutionäre Terahertz-Technik: Pflanzenwasser ganz einfach messen!

Revolutionäre Terahertz-Technik: Pflanzenwasser ganz einfach messen!

Ein Forschungsteam um Professor Dr. Martin Koch an der Philipps-Universität Marburg hat eine wegweisende Methode zur Sichtbarmachung des Wasserhaushalts von Pflanzen entwickelt. Diese innovative Technik nutzt die Terahertz-Spektroskopie, um die Öffnung und Schließung von Stomata, den Blattöffnungen der Pflanzen, präzise zu beobachten. Die Ergebnisse dieser Studie wurden kürzlich im Fachmagazin Scientific Reports veröffentlicht. Durch diese Methode können Wissenschaftler nun die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an ihre Wasserressourcen besser analysieren.

Stomata spielen eine entscheidende Rolle im Leben der Pflanzen, da sie den CO2-Austausch ermöglichen und die Transpiration regulieren. Tagsüber nehmen Pflanzen über die Stomata CO2 auf und setzen Sauerstoff frei, wobei sie Wasser verlieren. Bei Trockenstress oder in der Nacht schließen sich die Stomata, um Austrocknung zu verhindern. Die Terahertz-Wellen, die zur Analyse des Wasserhaushalts eingesetzt werden, werden stark von Wasser absorbiert. Die Signalschwächung, die auftritt, wenn die Terahertz-Strahlung durch die Blätter tritt, gibt Hinweise auf den Wassergehalt der Pflanzen, was die Methode besonders nützlich macht.

Ein Vergleich von Pflanzenvarianten

In einer weiteren Analyse verglich das Team Arabidopsis-Pflanzen mit Varianten, die durch eine Genmutation eine eingeschränkte Regulierung ihres Wasserhaushalts aufweisen. Diese Mutation beeinträchtigt spezifische Signalwege in der Trockenstressreaktion. Die Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen mit einem Gendefekt schneller austrocknen, weil sie ihre Stomataöffnung nicht effektiv an die Wasserversorgung anpassen können. Ein solches Wissen könnte entscheidend sein, um widerstandsfähigere Pflanzenkulturen gegen die Herausforderungen des Klimawandels zu identifizieren.

Darüber hinaus streben die Wissenschaftler eine portablere und kostengünstigere Umsetzung dieser Messtechnik an, um anderen Labors den Zugang zu dieser innovativen Technologie zu ermöglichen. Professor Dr. Martin Koch lehrt Physik und leitet die Arbeitsgruppe Halbleiterphotonik an der Universität Marburg. Diese Fortschritte könnten nicht nur für die Agrarwirtschaft von Bedeutung sein, sondern auch für andere Bereiche, in denen eine effiziente Wasserbewirtschaftung erforderlich ist.

Anwendungen in der Landwirtschaft und darüber hinaus

Der Klimawandel führt in vielen Regionen zu anhaltender Trockenheit, wodurch Landwirte gezwungen sind, Wasser zu sparen. Intelligente Bewässerungssysteme, die auf die tatsächlichen Bedürfnisse der Pflanzen abgestimmt sind, könnten hier ein Lösungsansatz sein. Bisherige Methoden zur Analyse des Wasserstatus sind oft invasiv und schädigen die Pflanzen. Die Terahertz-Spektroskopie hingegen ist nichtinvasiv und bietet den Vorteil, dass das äußere Erscheinungsbild der Pflanze, wie bei den untersucht Tannennadeln, unverändert bleibt, auch wenn diese über mehrere Wochen unter Trockenstress gesetzt wurden.

Die Terahertz-Technik, die auch in der Industrie und Medizin, beispielsweise zur Krebsdiagnose, Potenzial hat, ermöglicht automatisierte und präzisere Phänotypisierungen von Pflanzen. Das geplante tragbare System zur Analyse von Pflanzen im Feld könnte das Bewässerungsmanagement revolutionieren. Das Deutsche Pflanzen Phänotypisierungsnetzwerk (DPPN) und das europäische Pendant EPPN arbeiten bereits an der Entwicklung nichtinvasiver Hochdurchsatz-Methoden für die Pflanzenforschung, was die Bedeutung dieser Technologie weiter unterstreicht.