Forscher beweisen, dass mit neuer Methode Ozonstress in Sojabohnen gemessen werden kann

Da sich die Welt nicht nur darauf konzentriert, die Klimakrise zu lösen, sondern auch die weltweite Nahrungsmittelversorgung aufrechtzuerhalten, benötigen Forscher Instrumente, um zu bewerten, wie sich Luftschadstoffe auf Nutzpflanzen auswirken. In den letzten zehn Jahren hat die Landwirtschaft auf Messungen der solarinduzierten Chlorophyllfluoreszenz (SIF) zurückgegriffen, um Stress für Pflanzen zu erkennen.

Pflanzen absorbieren Sonnenlicht, um die Photosynthese anzutreiben, und die ungenutzte Energie wird in Form von Wärme und einem winzigen, für das menschliche Auge unsichtbaren Leuchten, der sogenannten Fluoreszenz, abgegeben. Seit der Erstellung der ersten globalen SIF-Karte im Jahr 2011 wird SIF von Forschern zur Untersuchung der Photosynthesedynamik eingesetzt. Beispielsweise wurde damit ermittelt, wie sich ein hoher Kohlendioxidgehalt (CO2) oder eine erhöhte Temperatur auf die Eigenschaften einer Pflanze auswirken.

Jetzt hat ein Team der University of Illinois Urbana-Champaign und des USDA Agricultural Research Service SIF verwendet, um die Auswirkungen von erhöhtem Ozon (O3) auf Sojabohnenpflanzen zu messen. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse im Zeitschrift für experimentelle Botanik.

„Forscher haben herausgefunden, dass SIF eine schnellere, sicherere und nichtinvasive Methode zur Untersuchung der Photosynthese ist“, bemerkte Genghong Wu, Erstautor der Arbeit und ehemaliger Doktorand. Student am Department of Natural Resources and Environmental Sciences, unter der Leitung von Prof. Kaiyu Guan, dem leitenden Autor der Arbeit. „Deshalb ist es so populär geworden. Das Neue an dieser Studie ist, dass SIF zum ersten Mal verwendet wurde, um eine erhöhte Ozonbelastung von Sojabohnen im Feld zu messen.“

Ozon ist ein schädlicher Luftschadstoff, der für Landwirte kostspielig ist. Die SoyFACE-Anlage bietet eine Testumgebung für die Untersuchung der Auswirkungen der Ozonverschmutzung vor Ort. Es wird von der USDA ARS-Wissenschaftlerin und Prof. Lisa Ainsworth geleitet. Für die aktuelle Studie entwarf sie das Experiment mit erhöhtem O3 mit vier Parzellen als Kontrolle und weiteren vier Parzellen mit höheren O3-Mengen.

Das Team verwendete ein tragbares spektroskopisches System, das etwa einen halben Meter über dem Pflanzendach angebracht war, um seine Messungen sowohl auf Kontrollflächen als auch auf Parzellen mit erhöhtem O3 durchzuführen. Sie fanden heraus, dass erhöhte O3-Werte zu einem Rückgang des SIF führten, und zwar um bis zu 36 Prozent während des Spätwachstums Jahreszeit.

Gleichzeitig mit der SIF wurden auch andere mit der Photosynthese verbundene Prozesse wie Elektronentransport und Blattgasaustausch gemessen. „Als wir beobachteten, dass diese Werte mit steigendem Ozongehalt abnahmen, bestätigte es uns, dass ein Rückgang des SIF ein Zeichen von Stress ist“, sagte Ainsworth.

Obwohl SIF direkt mit der Photosynthese zusammenhängt – dem Prozess, bei dem Pflanzen Licht absorbieren und in chemische Energie umwandeln – ist es nicht der einzige Faktor, der SIF beeinflusst. Aber Wu weist darauf hin, dass die Photosynthese der Pflanzen mit Messungen der Pflanzengröße kombiniert wird[MAD3]kann Landwirten eine gute Ertragsschätzung geben.

Einer der Vorteile von SIF besteht darin, dass es skalierbar ist. Wu studiert derzeit in Deutschland mit Kollegen, die Flugzeuge einsetzen, die 1 Kilometer über dem Boden fliegen, um die Auswirkungen von SIF auf ein ganzes Feld zu bewerten. Zusammen mit Prof. Kaiyu Guan, dem Gründungsdirektor des Agroecosystem Sustainability Center und einem Mitforscher dieser Studie, hofft Wu, die Methode nutzen zu können, um die Photosynthese in Regionen auf der ganzen Welt von einem Satelliten aus zu verfolgen, der die Erde umkreist.

„Wir wollen SIF verwenden, um die Dynamik der Photosynthese auf regionaler oder globaler Ebene abzuschätzen oder zu überwachen“, bekräftigte Wu. „Dazu müssen wir auch den mechanistischen Zusammenhang zwischen SIF und Photosynthese besser verstehen.“

Die Experimente, die diese Kollegen bei SoyFACE durchgeführt haben, um SIF mit der Luftverschmutzung in Verbindung zu bringen, tragen zum Aufbau dieses mechanistischen Verständnisses bei.