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Internet-Sonden

Internet-aktive Sonden messen die Wasserversorgung von Pflanzen

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Der Turgor wird über die Messung der Druckübertragungsfunktion eines Blattes bestimmt, d.h. der Drucksensor in der unteren Platte misst die Dämpfung des Drucksignals durch das Blattgewebe. Die Däm-pfung hängt vom Turgor, der dem Anklemmdruck entgegengerichtet ist, ab (s. Abb. 3B). Bei hohem Turgor wird nur ein Bruchteil, bei niedrigem Turgor wird ein entsprechend hoher Anteil des angelegten Druckes übertragen, d.h. dass die Ausgangsdrucksignale der Sonde umgekehrt mit dem Turgor korreliert sind.

Ergebnisse

Umfangreiche Langzeit-Messungen unter Labor-, Gewächshaus- und Feldbedingungen an Arabidopsis-, Tomaten- bzw. Paprikapflanzen sowie an Bananenstauden, Weinreben, Grapefruit-, Orangen-, Oliven- und Avocadobäumen haben gezeigt, dass Effekte von mangelnder Bewässerung auf den Turgor sich eindeutig von entsprechenden Einflüssen des Mikroklimas unterscheiden lassen. Ein typisches Beispiel von Sonden-Messungen an Weinreben unter Feldbedingungen in Israel ist (zusammen mit Messungen der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit) in Abbildung 5A wiedergegeben. Die Abbildung zeigt, dass nach Stopp der Tropfenbewässerung die Amplitude der Ausgangsdrucksignale Pp der Sonden um die Mittagszeit in den darauf folgenden Tagen stetig zunimmt, d.h. dass die Turgorverluste mit zunehmender Trockenheit ansteigen. Nachts wird einige Zeit nach Bewässerungsstopp der ursprüngliche Turgor ebenfalls nicht mehr aufgebaut, da nicht mehr genügend Wasser im Boden ist. Entsprechend nehmen die nächtlich gemessenen Ausgangsdrucksignale Pp zu. Bei Bewässerung nach einer Woche (s. Pfeile in Abb. 5A) werden innerhalb weniger Stunden die ursprünglichen Nacht- und Mittags-Turgorwerte etabliert.

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Bei den Messungen in Abbildung 5A wurde regelmäßig beobachtet, dass etwa drei Tage nach Bewässerungsstopp periodische Änderungen in den Pp-Werten ( = Turgorwerten) auftraten. Diese Oszillationen werden durch das periodische Öffnen und Schließen der Stomata hervorgerufen. Viele Pflanzenarten, wie z.B. auch Bananen (s. Abb. 5B) und Oliven (s. Abb. 5C) versuchen durch diesen Prozess den Wasserverlust zu begrenzen. Da aber bei geschlossenen Stomata kein CO2 mehr assimiliert wird, wirkt sich dies negativ auf den Ertrag aus. Die hohe Nachweisempfindlichkeit der Sonde zeigt, dass die von dem Farmer gewählte Bewässerungsstrategie suboptimal war. Bewässerung nach drei Tagen dürfte vorteilhafter als wöchentliche Bewässerung sein. Die Gesamtwassermenge kann dabei mit großer Wahrscheinlichkeit weiter gesenkt werden.

Perspektiven

Die Ermittlung von Turgor- bzw. Pp-Schwellenwerten, bei deren Überschreitung Bewässerung erfolgen muss, um den Ertrag und die Produktqualität zu optimieren, stehen im Vordergrund zukünftiger Untersuchungen. Diese Versuche werden ab März 2010 an Kulturpflanzen und Obstbäumen in mehreren Mittelmeerländern und Süd-amerika durchgeführt. Messungen an Tomatenpflanzen in Holland haben das Potenzial dieser neuen Technik für Gewächshaus-Anpflanzungen gezeigt. Große Bedeutung dürfte die magnetische Sonde auch in der Forstwirtschaft finden. Wie die Abbildung 6 zeigt, lässt sich durch das Setzen vieler Sonden die Dynamik der Wasserversorgung von Bäumen erstmals präzise erfassen. Versuche an verschiedenen Baumarten in Europa sowie an 40 Meter hohen Eukalyptusbäumen in Australien haben neue Erkenntnisse über die Wasserversorgung von Bäumen gebracht. Ein wertvolles Instrument kann die Technik darüber hinaus auch für die Wissenschaft werden, da z.B. die physiologische Wirkung auf das Ausschalten von Genen nicht-invasiv untersucht werden kann. Voraussetzung für dieses vielfältige Anwendungsspektrum ist, dass es in nächster Zeit gelingt, aus den bisherigen Sonden-Prototypen ein kommerzielles Massenprodukt zu machen.

Referenzen

[1] Zimmermann U., Schneider H., Wegner L.H., Haase A. (2004) Water ascent in tall trees: does evolution of land plants rely on a highly metastable state? New Phytologist, (Tansley Review) 162, 575-615.

[2] Westhoff M., Zimmermann D., Schneider H., Wegner L.H., Geßner P., Jakob P., Bamberg E., Shirley St., Bentrup F.-W., Zimmermann U. (2008) Evidence for discontinuous water columns in the xylem conduit of tall birch trees. Plant Biology 11, 307-327.

[3] Zimmermann D., Westhoff M., Zimmermann G., Geßner P., Gessner A., Wegner L.H., Rokitta M., Ache P., Schneider H., Vásquez J.A., Kruck W., Shirley St., Jakob P., Hedrich R., Bentrup F.-W., Bamberg E., Zimmermann U. (2007) Foliar water supply of tall trees: evidence for mucilage-facilitated moisture uptake from the atmosphere and the impact on pressure bomb measurements. Protoplasma, 232, 11-34.

[4] Westhoff M., Zimmermann D., Zimmermann G., Gessner P., Wegner L.H., Bentrup F.-W., Zimmermann U. (2009) Distribution and function of epistomatal mucilage plugs, Protoplasma 235, 101-105.

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[6] Zimmermann U., Rüger S., Saphira O., Westhoff M., Wegner L.H., Reuss R., Geßner P., Zimmermann G., Israeli Y., Zhou A., Schwartz A., Bamberg E., Zimmermann D. (2009) Effects of environmental parameters and irrigation on the turgor pressure of banana plants measured using the non-invasive, online-monitoring leaf patch clamp pressure probe, Plant Biol. doi: 10.1111/j.1438-8677.2009.00235.x.

[7] Westhoff M., Reuss R., Zimmermann D., Netzer Y., Gessner A., Geßner P., Zimmermann G., Wegner L. H., Bamberg E., Schwartz A., Zimmermann U. (2009) A non-invasive probe for on-line monitoring of turgor pressure changes under field conditions, Plant Biol. 11, 701-712.

*S. Rüger, Prof. Dr. U. Zimmermann, Lehrstuhl für Biotechnologie, Biozentrum, Universität Würzburg, 97074 Würzburg

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