Blattsensoren melden Wassermangel

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Blattstomata
Künstlerische Darstellung der Sensoren Bild: Betsy Skrip

MIT-Ingenieure haben Sensoren entwickelt, die auf Pflanzenblätter gedruckt werden können und zeigen, wenn die Pflanzen Wassermangel haben. Diese Art von Technologie könnte nicht nur vernachlässigte Zimmerpflanzen retten, sondern, was noch wichtiger ist, den Landwirten eine frühe Warnung geben, wenn ihre Pflanzen in Gefahr sind, sagt Michael Strano, der Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und der leitende Autor der neuen Studie .

„Dies scheint der früheste Indikator für Trockenheit zu sein, den wir für landwirtschaftliche Anwendungen haben“, sagt Strano. „Es ist schwierig, diese Informationen auf andere Weise zu erhalten. Sie können Sensoren in den Boden einbringen, oder Sie können Satellitenbilder und Kartierungen durchführen, aber Sie wissen nie wirklich, was eine bestimmte Pflanze als Wasserpotenzial erkennt. „

Strano hat bereits damit begonnen, mit einem großen landwirtschaftlichen Produzenten zusammenzuarbeiten, um diese Sensoren für den Einsatz auf Feldfrüchten zu entwickeln, und er glaubt, dass die Technologie auch für Gärtner und städtische Landwirte nützlich sein könnte. Es könnte auch Forschern helfen, neue Wege zu entwickeln, dürreresistente Pflanzen zu entwickeln, sagt er.

Druckbare Sensoren

Wenn der Boden austrocknet, verlangsamen Pflanzen ihr Wachstum, reduzieren die photosynthetische Aktivität und erleiden Schäden an ihrem Gewebe. Einige Pflanzen beginnen zu welken, aber andere zeigen keine sichtbaren Anzeichen von Problemen, bis sie bereits erheblichen Schaden erfahren haben.

Der neue MIT-Sensor nutzt Pflanzenstomata – kleine Poren in der Oberfläche eines Blattes, die das Verdampfen von Wasser ermöglichen. Wenn Wasser aus dem Blatt verdunstet, fällt der Wasserdruck in der Pflanze und erlaubt es, Wasser durch einen Prozess, der Transpiration genannt wird, aus dem Boden zu ziehen.

Pflanzenbiologen wissen, dass sich Stomata öffnen, wenn sie Licht ausgesetzt werden und sich in der Dunkelheit schließen, aber die Dynamik dieses Öffnens und Schließens ist wenig untersucht worden, weil es keine gute Möglichkeit gab, sie in Echtzeit direkt zu messen.

„Die Menschen wussten bereits, dass Stomata auf Licht reagieren, auf Kohlendioxidkonzentration, auf Trockenheit, aber jetzt konnten wir es kontinuierlich überwachen“, sagt Koman. „Bisherige Methoden konnten diese Art von Informationen nicht erzeugen.“

Um ihren Sensor zu erzeugen, verwendeten die MIT-Forscher eine Tinte aus Kohlenstoff-Nanoröhren – winzige hohle Röhren aus Kohlenstoff, die Elektrizität leiten -, die in einer organischen Verbindung namens Natriumdodecylsulfat gelöst sind, die die Stomata nicht beschädigt. Diese Tinte kann über eine Pore gedruckt werden, um eine elektronische Schaltung zu schaffen. Wenn die Pore geschlossen ist, ist die Schaltung intakt und der Strom kann gemessen werden, indem die Schaltung mit einem als Multimeter bezeichneten Gerät verbunden wird. Wenn sich die Pore öffnet, wird der Stromkreis unterbrochen und der Strom hört auf zu fließen, so das die Forscher sehr genau messen können, wann eine einzelne Pore offen oder geschlossen ist.

Stomata Blatt
Zeitraffer einer Stomata beim Öffnen und Schliessen GIF: Volodymyr Koman/MIT Chemical Engineering)

Durch das Messen dieses Öffnens und Schließens über einige Tage unter normalen und trockenen Bedingungen fanden die Forscher heraus, dass sie innerhalb von zwei Tagen erkennen können, wann eine Pflanze unter Wasserstress leidet. Sie fanden heraus, dass Stomata etwa sieben Minuten brauchen, um sich nach Lichteinwirkung zu öffnen und 53 Minuten, um sich zu schließen, wenn es dunkel wird. Aber diese Reaktionen ändern sich während trockener Bedingungen. Wenn die Pflanzen Wasser entzogen werden, fanden die Forscher heraus, dass Spaltöffnungen im Durchschnitt 25 Minuten brauchen, um geöffnet zu werden, während die Zeit für das Schließen der Spaltöffnungen 45 Minuten beträgt.

„Diese Arbeit ist aufregend, weil sie die Möglichkeit eröffnet, die Elektronik direkt auf das Pflanzenleben zu drucken, um die pflanzenphysiologischen Reaktionen auf Umweltfaktoren wie Dürre langfristig zu überwachen“, sagt Michael McAlpine, Professor für Maschinenbau an der Universität Minnesota, der nicht in die Forschung involviert war.

Dürrewarnung

Für diese Studie testeten die Forscher die Sensoren an einer Pflanze namens Friedenslilie, die sie teilweise wegen ihrer großen Stomata auswählten. Um die Tinte auf die Blätter aufzubringen, entwickelten die Forscher eine Druckform mit einem mikrofluidischen Kanal. Wenn die Form auf ein Blatt gelegt wird, wird Tinte, die durch den Kanal fließt, auf der Blattoberfläche abgelagert.

Das MIT-Team arbeitet nun an einem neuen Weg, die elektronischen Schaltungen anzuwenden, indem einfach ein Aufkleber auf die Blattoberfläche gelegt wird. Neben großflächigen landwirtschaftlichen Erzeugern könnten sich Gärtner und Landwirte für ein solches Gerät interessieren, hoffen die Forscher.

„Es könnte große Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben, insbesondere auf den Klimawandel, wo Wasserknappheit und Veränderungen der Umgebungstemperatur auftreten“, sagt Koman.

In verwandten Arbeiten erforscht Stranos Labor die Möglichkeit, Anordnungen dieser Sensoren zu schaffen, mit denen Licht erfasst und Bilder aufgenommen werden können, ähnlich wie bei einer Kamera.

Ein Beitrag des Massachusetts Institute of Technology, übersetzt aus dem Englischen. In die Forschungen ist auch der Schweizer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung involviert.

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