Bei den Nutzpflanzen der Zukunft geht es um das Überleben des Stärkeren.
Da der Klimawandel die Häufigkeit und Schwere von Dürreperioden erhöht, müssen Nutzpflanzen mit längeren Perioden der Wasserknappheit zurechtkommen. Eine Lösung besteht darin, Nutzpflanzen zu züchten, die in einem heißen und trockenen Klima effizient mit Wasser umgehen können.
Der erste Schritt besteht darin, herauszufinden, welche Pflanzen das ihnen zur Verfügung stehende Wasser am besten nutzen – und wie sie das tun. Dazu haben Forschende der Cornell University einen Sensor in Nanogröße namens AquaDust entwickelt, der wertvolle Einblicke in den Wasserfluss in Pflanzen bietet.
AquaDust verwendet winzige fluoreszierende Farbstoffe, um die Wasserbewegung im Pflanzengewebe zu verfolgen. Dieser innovative, nicht invasive Ansatz ermöglicht es Züchter*innen und Biolog*innen, den Gesundheitszustand von Nutzpflanzen auf mikroskopischer Ebene zu beurteilen.
Die Forschenden injizierten Nanopartikel auf Hydrogelbasis in Maisblätter, um die Wasserverfügbarkeit zu überwachen. Je nach Wassergehalt dehnten sich die Nanopartikel aus oder zogen sich zusammen, was dazu führte, dass die Farbstoffe bei verschiedenen Wellenlängen Fluoreszenz ausstrahlten. Die Wellenlängen werden dann mit einem Spektrometer gemessen und in Messungen des Wasserpotenzials umgewandelt, ohne die Pflanzen zu schädigen.
Durch ein umfassendes Verständnis des Wasserflusses in den verschiedenen Blattgeweben liefert diese Technik wertvolle Einblicke in zentrale biologische Prozesse wie Photosynthese, Kohlendioxidaufnahme und Wasserdampfabgabe. Auf dieser Grundlage können die Forschenden Pflanzen entwickeln, die ein besseres Wassermanagement aufweisen und so den Herausforderungen der Wasserknappheit begegnen.
Im günstigsten Fall könnte AwuaDust auf Feldern oder in Gewächshäusern versprüht werden, so dass eine Multispektralkamera das Wasserpotenzial von Hunderten von Pflanzen schnell messen kann.
„Der Einsatz jeder Art von Fernerkundungstechnologie – in diesem Fall werden Nanosensoren verwendet – ist ein enormer Fortschritt“, so Irwin Goldman, Professor für Gartenbau an der University of Wisconsin, Madison, gegenüber Wired. „Meiner Meinung nach ist diese Technologie wirklich die Zukunft“.
Teil einer ganzheitlichen Anstrengung zur Entwicklung trockenheitsresistenter Ökosysteme
AquaDust muss noch einige Herausforderungen meistern, bevor es in der realen Welt der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Erstens enthält die in die Pflanzen injizierte Lösung Wasser, das erst verdunsten muss, bevor genaue Messungen vorgenommen werden können. Diese Wartezeit verzögert den Prozess und macht ihn für einen großflächigen Einsatz ineffizient.
Zweitens wird AquaDust in erster Linie als Forschungsinstrument eingesetzt, um Erkenntnisse über die Biologie und das Verhalten von Pflanzen zu gewinnen. Seine Anwendungs- und Auslesemethoden müssen weiter verfeinert werden, wenn Züchterinnen und Landwirtinnen es für kommerzielle oder weit verbreitete praktische Anwendungen nutzen wollen.
Schließlich ist es ein langwieriger und komplexer Prozess, wasserverlustresistente Pflanzen und die zugehörigen Gene zu identifizieren und sie anschließend mit erwünschten Merkmalen wie Nährwert und Geschmack zu verbinden.
Dennoch stellt die nicht-invasive Überwachung der Wasserverfügbarkeit in Pflanzen einen bemerkenswerten Fortschritt in unserem Verständnis der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen dar. Bei weiterer Entwicklung könnten Technologien wie AquaDust – neben Lösungen wie Meerwassergewächshäusern und Bewässerung aus der Luft – eine wichtige Rolle bei den ganzheitlichen, wissenschaftlich fundierten Bemühungen spielen, mit einem trockener werdendem Planeten fertig zu werden.
