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Internet-Sonden Internet-aktive Sonden messen die Wasserversorgung von Pflanzen

Autor / Redakteur: Simon Rüger* und Ulrich Zimmermann* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Ungefähr 80 Prozent der weltweit zugänglichen Süßwasser-ressourcen werden zurzeit für künstliche Bewässerung in der Landwirtschaft verbraucht. Lesen Sie, wie sich in Zeiten von stetig wachsender Weltbevölkerung, Klimawandel und zunehmender Versalzung von Ackerböden der Wasserverbrauch durch den Einsatz intelligenter Sondensysteme signifikant minimieren lässt.

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Abb. 1: Schema der Sensor-Funktechnik, Datenfernübertragung und Fernsteuerung der Bewässerung.
Abb. 1: Schema der Sensor-Funktechnik, Datenfernübertragung und Fernsteuerung der Bewässerung.
( Bild: Rüger/Zimmermann, Uni Würzburg )

Die globale Produktion von Nahrungsmitteln muss nach Schätzungen von Fachleuten bis zu 35 Prozent gesteigert werden, um die wachsende Erdbevölkerung auch im Jahr 2025 ernähren zu können. Zurzeit werden bereits 50 Prozent der weltweit erzeugten pflanzlichen Nahrungsmittel auf künstlich bewässerten Böden produziert. Als Folge von intensiver Bewässerung veröden weltweit jährlich mehrere hunderttausend Hektar Agrarfläche. Schon jetzt sind von den global 260 Millionen Hektar bewässerter Agrarfläche 80 Millionen Hektar von Bodenversalzung betroffen. Ein drastischer Rückgang von Niederschlägen bzw. chronischer Wassermangel, wie er in vielen Teilen der Welt zu beobachten ist, hat in den letzten Jahren dazu geführt, dass verstärkt salz-belastetes Klärwasser zur Bewässerung eingesetzt wird, was letztlich zu weiterem Verlust von Ackerboden führt.

Zwar ersetzen „wassersparende“ Bewässerungssysteme, wie Tropfbewässerungsanlagen allmählich stark Wasser-verbrauchende Techniken wie Sprinkleranlagen, jedoch können auch noch bei der Tropfbewässerung hohe Einsparpotenziale erzielt werden, wenn der Wasserbedarf der Pflanzen in Echtzeit durch Sensorsysteme erfasst werden kann. Messungen des Wassergehaltes im Boden geben nur grobe und indirekte Anhaltspunkte über die Wasserversorgung der Pflanze, da die Bodenbeschaffenheit lokal stark variieren kann, und Pflanzen sehr unterschiedlich auf Wasserknappheit reagieren. Pflanzen-basierte Nachweismethoden für Wasserstress hingegen sind generell Boden-basierten Methoden überlegen. Der zuverlässigste Parameter zur Ermittlung des Wasserbedarfs einer Pflanze ist die Bestimmung des Turgors im Blatt (s. Kasten), da dieser hochempfindlich auf Wasseraufnahme aus dem Boden und der Atmosphäre bzw. Wasserverluste durch Transpiration reagiert [1-4]. Außerdem lassen Turgormessungen Aussagen über die zu erwartenden Erträge zu, da das Öffnen und Schließen der Stomata sich auf den Blattturgor auswirkt.

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Aktuelle Druckmessmethoden

Viele Pflanzenphysiologen, aber auch eine Reihe von Farmern, setzen die Druckbombenmethode nach Scholander ein [1]. Ein abgeschnittenes Blatt (das vorab für etwa zwei Stunden mit Folie umhüllt wird, um die Transpiration zu unterbinden) oder ein Zweig wird in einem Stahlbehälter unter Druck gesetzt. Der Gasdruck, bei dem Wasser an der aus der Bombe weisenden Schnittstelle austritt, wird bestimmt (s. Abb. 2A). Dieser Druckwert (bis zu 4 MPa) wird als Maß für den absoluten Druck in den Wasser-Leitungsbahnen der Pflanzen bzw. für das Wasserpotenzial in den Blättern (= Differenz aus Turgor minus osmotischem Druck) genommen. Diese Methode ist invasiv, sehr ungenau, zeitaufwändig und erlaubt deshalb nur sporadische Messungen im Verlauf einer Vegetationsperiode.

Die Turgormesssonde nach Zimmermann (s. Abb. 2B) ist die einzige Methode, mit der der Turgor direkt in einer Blattzelle gemessen werden kann. Bei dieser Sonde wird der Turgor über eine mit Öl gefüllte Mikroglaskapillare erfasst. Die Kapillare wird unter dem Mikroskop mithilfe von Manipulatoren in eine Blattzelle eingeführt. Der Turgor schiebt Zellsaft in die Kapillare. Die Öl/Wasser-Grenzschicht lässt sich über eine, mit einem Metallstab verbundene Mikrometerschraube optimal einstellen. Der sich in der Ölphase einstellende, dem Turgor entsprechende Gleichgewichtsdruck wird mit einem Drucksensor gemessen. Die Turgormesssonde liefert sehr genaue Messwerte, erfordert aber große Erfahrung und ist nicht feldtauglich, da bereits geringe Bewegungen des Blattes zu Vibrationen der Mikrokapillare führen, die die Zelle zerstören.

Magnetische Turgormesssonde

Die neue nicht-invasive, universell einsetzbare, magnetische Turgormesssonde, die in Abbildung 3A unter Messbedingungen an einem Bananenblatt zu sehen ist, misst relative Turgoränderungen im Blatt. Für wissenschaftliche Fragestellungen, bei denen die Absolutgröße des Turgors von Interesse ist, kann die Sonde vorab mit der Turgorsonde (s. Abb. 2B) geeicht werden [5-7]. Die magnetische Sonde (wissenschaftlicher Name: leaf patch clamp pressure probe; kommerzieller Name: ZIM- probe; ZIM: Zimmermann Irrigation Monitoring) erfüllt alle Anforderungen eines optimalen Bewässerungs-Sensors [5-7]: Sie ist kostengünstig, nutzerfreundlich, robust gegen Regen, Sturm, Sandböen und starke Sonneneinstrahlung. Kleinste dynamische Turgoränderungen werden mit hoher Präzision in Echtzeit erfasst. Die Messungen erfolgen nicht-invasiv, ohne das Blatt zu schädigen und sind somit über die gesamte Vegetationsperiode möglich (s. Abb. 4). Die Sonden sind mit kleinen Funksendern versehen, die die Turgorsignale zu einer zentralen Datenfernübertragungsstation schicken. Diese überträgt die Signale über Mobilfunk zu einem Server im Internet (s. Abb. 1).

Als Sensorelement fungiert bei der Magnetsonde ein kleiner Blattfleck, dessen Stomata abgedeckt sind. Turgoränderungen im freien Blattgewebe werden im Bruchteil einer Sekunde auf die Zellen im Blattfleck übertragen, da diese hydraulisch mit dem umgebenden Gewebe gekoppelt sind. Realisiert wird dieses Sensorelement, indem ein Blatt in situ zwischen zwei kleine kreisrunde Platten aus Aluminium geklemmt wird (s. Abb. 3B). Die Platten sind jeweils mit einem Magneten verbunden. Turgor-änderungen im Sensorelement werden mit einem in Silikon eingebetteten, hochempfindlichen Miniatur-Drucksensor, der in die untere Platte integriert wurde, gemessen. Über ein Gewinde lässt sich der Abstand zwischen der oberen Platte und dem mit ihm verbundenen Magneten verändern. Über die Änderung der Distanz zwischen den beiden Magneten lässt sich der magnetische Druck optimal und konstant an die Dicke und an die mechanische Festigkeit eines Blattes anpassen.

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.

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.

[5] Zimmermann D., Reuss R., Westhoff M., Geßner P., Bauer W., Bamberg E., Bentrup F.-W., Zimmermann U. (2008) A novel, non-invasive, online-monitoring, versatile and easy plant-based probe for measuring leaf water status. J. Exp. Bot. 59: 3157-3167.

[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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