Wenn sich bereits Blätter kräuseln und Triebe hängen, ist es oft schon zu spät: Die erkrankten oder geschädigten Pflanzen sind dann oft nicht mehr zu retten und oft hat der Erreger sich auch bereits unbemerkt im Bestand breit gemacht. Für Hobbygärtner ist dies ärgerlich – für Landwirte können bestimmten Pilze und Viren oder Ertragsverluste durch ungünstige Wachstumsbedingungen hingegen existenzbedrohend sein. Frühzeitiges Handeln ist deshalb der Schlüssel: “Je zeitiger Landwirte Infektionen erkennen, desto eher sind sie in der Lage, die Ausbreitung der Krankheit einzudämmen und ihre Ernte zu schützen”, sagt Seniorautor Qingshan Wei von der North Carolina State University in Raleigh. Ebenso gilt: “Je schneller Landwirte abiotische Stressfaktoren, wie etwa durch Salz verunreinigtes Bewässerungswasser, erkennen können, desto besser sind sie in der Lage, die entsprechenden Herausforderungen zu bewältigen und die Ernteerträge zu verbessern“, so der Forscher.
Frühdiagnosen sind gefragt
Die Techniken zur Diagnose von Pflanzen-Problemen sind bisher allerdings nicht gerade fix: Nach dem Einschicken einer Probe kann es oft lange dauern, bis das Untersuchungsergebnis vorliegt. Möglicherweise ist es dann allerdings schon zu spät. Bereits seit einigen Jahren widmen sich Wei und sein Team deshalb der Entwicklung von Technologien, die der Früherkennung von problematischen Pflanzenzuständen dienen sollen. Ihr Konzept beruht dabei hauptsächlich auf dem „Erschnüffeln“ von Anzeichen: Wie sie erklären, geben Pflanzen bestimmte Muster von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) von sich, wenn sie von Erregern befallen sind oder anderweitig unter Stress stehen. Um ein technisches „Näschen“ für diese Substanzen zu entwickeln, haben die Forscher Sensoren mit verschiedenen chemischen Liganden beschichtet, die auf das Vorhandensein bestimmter VOCs reagieren.
“Die neuen Pflaster enthalten zusätzliche Sensoren, die es ihnen ermöglichen, die Temperatur, die Umgebungsfeuchtigkeit und die Menge an Feuchtigkeit zu überwachen, die von den Pflanzen über ihre Blätter ‘ausgeatmet’ wird”, sagt Co-Autor Yong Zhu von der North Carolina State University. Die Pflaster sind nur 30 Millimeter lang und bestehen aus einem flexiblen Material, das die Sensoren sowie Elektroden aus Silbernanodrähten enthält. Bisher sind sie noch über Kabel an ein Gerät zur Datenerfassung angeschlossen. Die Pflaster werden auf der Unterseite der Blätter angebracht, weil diese eine höhere Dichte an Spaltöffnungen (Stomata) aufweisen. Dabei handelt es sich um die Poren, über die Pflanzen “atmen”: Sie tauschen Gase mit der Umgebungsluft aus und setzte dabei auch VOCs aus der Pflanze frei.
Vielversprechende Testergebnisse
Die Forscher testeten die neuen Pflaster an Tomatenpflanzen in Gewächshäusern und experimentierten mit Pflastern, die verschiedene Kombinationen von Sensoren enthielten. Die Tomatenpflanzen wurden dabei mit verschiedenen Erregern infiziert, darunter war auch das Tomatenbronzefleckenvirus, das zu erheblichen Schäden in Beständen führen kann. Die Pflanzen wurden zudem einer Reihe von abiotischen Stressfaktoren ausgesetzt, wie Überwässerung, Trockenheit, Lichtmangel und hohe Salzkonzentrationen im Wasser. Die Daten, die die Pflaster bei diesen Experimenten lieferten, verarbeiteten die Wissenschaftler anschließend mithilfe einer Form der künstlichen Intelligenz: Maschinelles Lernen half dabei festzustellen, welche Kombinationen von Sensoren am effektivsten zur Erkennung der jeweiligen Pflanzen-Probleme geeignet sind.
