Pflanzen melden nun Angriff von Fressfeinden

Prinzipskizze des innovativen Pflanzenschutzsystems des MIT (Illustration: mit.edu)

Cambridge/Singapur (pte022/23.04.2024/12:30) - Zwei Sensoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, angebracht auf den Blättern einer Pflanze, signalisieren, wenn Fressfeinde angreifen, die die Ernte gefährden können. Das Alarmsystem hat ein Team um Michael Strano vom Massachusetts Institute of Technology ( https://www.mit.edu/ ) (MIT) entwickelt. Die Sensoren erkennen zwei Signalmoleküle, die gestresste Pflanzen produzieren: Wasserstoffperoxid und Salicylsäure, ein Molekül, das ein Bestandteil von Aspirin ist.

Laut den Forschern produzieren die Pflanzen diese Moleküle bei unterschiedlichen Arten von Stress zu verschiedenen Zeitpunkten, sodass charakteristische Muster entstehen, die als Frühwarnsystem dienen könnten. Landwirte, die diese Sensoren nutzen, könnten so frühzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen.

Verpackung entscheidend

"Im Inneren der Pflanze gibt es in Echtzeit chemische Veränderungen. Jede ist gewissermaßen ein Fingerabdruck einer bestimmten Art von Stress", verdeutlicht Strano. Bei Wassermangel beispielsweise sähen die chemischen Veränderungen anders aus als beim Angriff von Heuschrecken.

Die Sensoren aus winzigen Kohlenstoffnanoröhrchen sind in Polymere verpackt. Durch Veränderung der 3D-Struktur der Polymere werden die Sensoren so angepasst, dass sie verschiedene Moleküle erkennen und ein Fluoreszenzsignal abgeben, wenn Stress aufkommt. So entsteht ein Sensor, der Wasserstoffperoxid nachweist, und ein anderer, der Salicylsäure erkennt. Salicylsäure ist ein Molekül, das an der Regulierung vieler Aspekte des Pflanzenwachstums, der Entwicklung und der Reaktion auf Stress beteiligt ist.

Sensoren wandern in Blätter

Um die Nanosensoren auf Pflanzen zu platzieren, lösen die Forscher sie in einer Flüssigkeit auf, die sie auf die Unterseite eines Pflanzenblattes sprühen. Die Sensoren können durch Poren, sogenannte Spaltöffnungen, in die Blätter eindringen und sich im Mesophyll ansiedeln. Das ist die Schicht, in der der größte Teil der Photosynthese abläuft. Wird ein Sensor durch Stress aktiviert, erfasst eine Infrarotkamera das Fluoreszenzsignal und schickt eine Mitteilung an das Handy des Landwirts.

Um die Sensoren zu testen, hat Sarojam Rajani, Agrarwissenschaftler an der MIT-Dependance in Singapur ( https://misti.mit.edu/mit-singapore ), Pak Choi mit den Sensoren ausgestattet. Sein Team setzte die Pflanzen vier verschiedenen Arten von Stress aus: Hitze, intensives Licht, Insektenstiche und bakterielle Infektionen. Die Pflanzen produzierten daraufhin innerhalb von Minuten Wasserstoffperoxid.

Hitze, Licht und bakterielle Infektionen lösten zusätzlich die Produktion von Salicylsäure aus, allerdings zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Insektenstiche stimulierten die Salicylsäureproduktion überhaupt nicht. Die Ergebnisse stellen eine "Sprache" dar, mit der Pflanzen ihre Reaktion auf Stress mitteilen, sagt Strano. Diese Sprache interpretiert künftig eine App auf dem Smartphone des Landwirts, sodass dieser gezielt reagieren kann.

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