Wenn Pflanzen gesund sind, strahlen sie rotes Licht aus, das mit bloßem Auge kaum zu sehen ist, aber mit einem neuen Instrument, das an der York University entwickelt wurde, ist es jetzt möglich, dieses Licht zu messen, ob in einem Labor oder draußen auf dem Feld.
Obwohl es wie Science-Fiction klingen mag zu sagen, dass gesunde Pflanzen leuchten, kommt diese verzögerte Fluoreszenz von Licht, das von der Sonne absorbiert wird und mit der photosynthetischen Aktivität und der Gesundheit der Pflanze zusammenhängt. Pflanzen strahlen dieses Leuchten aus, nachdem sie einen Lichtblitz absorbiert haben.
„Wie gesund die Pflanze ist, können wir an der Robustheit des roten Lichts ablesen, das sie aussenden. Je schwächer das Licht wird, desto weniger gesund ist die Pflanze“, sagt Ozzy Mermut, außerordentlicher Professor für Biophysik von der Fakultät für Naturwissenschaften in York. „Sie können den Gesundheitszustand der Pflanze nicht immer nur durch Anschauen erkennen. Oft sieht sie grün und gesund aus, bis Sie sie testen.“
Hier kommt der neue, hochempfindliche und tragbare Biosensor ins Spiel, den Mermut und York, Chemieprofessor William Pietro, entwickelt haben. „Wir haben ein Gerät entwickelt, das die Lichtemission von Pflanzen mit geringer Intensität erfassen kann“, sagt Pietro.
Das Tool, ein SiPM (Solid-State Silicon Photomultiplier)-fähiges tragbares verzögertes Fluoreszenzphotonenzählgerät mit integrierter Plug-and-Play-Anregung einer einfachen LED, kann problemlos aus der Ferne eingesetzt werden. Dadurch kann das Gerät helfen, die Gesundheit und Nachhaltigkeit von Pflanzen zu messen, insbesondere von Pflanzen, die durch CO2-Emissionen, Treibhausgase und extreme Wetterereignisse gestresst sind, und die Auswirkungen der Industrialisierung zu bewerten. Es kann nicht nur in einem Labor verwendet werden, sondern da es die Größe einer Aktentasche hat, kann es leicht von Ort zu Ort getragen werden, sei es bei der Ernte in Saskatchewan, wo Mermut herkommt, in geschützten indigenen Gebieten in ganz Kanada oder in den Regenwäldern von Kanada Brasilien.
„Die Ergebnisse davon können uns Auskunft über die Reaktion von Pflanzen unter verschiedenen Umweltbedingungen geben, darunter Dürre, Hitze- und Kälteschockstress oder nach Überschwemmungen. Dies geschieht auf eine leistungsstarke neue Weise, die es uns ermöglicht, dieses Phänomen der Pflanzenemission direkt zu untersuchen das Feld. Es ist so empfindlich, dass es einzelne Photonen zählen kann, Lichtteilchen, die von Pflanzen emittiert werden“, sagt Pietro.
Das wäre noch vor ein paar Jahren nicht möglich gewesen. Die Technologie war zu groß, nicht im Geringsten tragbar, kompliziert und teuer, was bisher feldbasierte Studien ausschloss. Mermut und Pietro hoffen, dass auch andere Forscher das Instrument in ihren Studien einsetzen werden, vielleicht um die Auswirkungen des Klimawandels im Laufe der Zeit auf Pflanzen zu untersuchen.
In Zukunft hoffen sie, die Ausrüstung auf einer Drohne zu montieren, damit sie über Regenwälder, Naturschutzgebiete und landwirtschaftliche Felder fliegen kann – was den Landwirten helfen könnte, die Ernährungssicherheit zu verbessern – um ihre Gesundheit und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit oder als Reaktion auf Umweltstressoren zu messen .
„Dies ist so wichtig, weil etwa 20 Prozent des Sauerstoffs von den brasilianischen Regenwäldern produziert werden“, sagt Mermut, der Erfahrung in der Entwicklung von aus der Ferne einsetzbaren medizinischen Geräten für globale Gesundheitsanwendungen und die biowissenschaftliche Forschung im Weltraum hat. „Sie können sich vorstellen, wie nützlich eine solche Technologie in Zukunft werden kann, nicht nur für Pflanzen, sondern auch für Menschen.“
Die Forscher veröffentlichten ihre Proof-of-Concept-Studie, „Ein SiPM-fähiges tragbares Gerät zur Photonenzählung mit verzögerter Fluoreszenz: Biosensorik für klimatischen Pflanzenstress“ in einem Sonderheft der Zeitschrift Biosensoren—Photonikbasierte (Bio-)Sensoren für einen gesunden Planeten.
Bereits jetzt vermitteln sie Studierenden des Bachelorstudiengangs Biophysik am Fachbereich Physik und Astronomie die Konzepte und den Umgang mit den Forschungsgeräten im MiBAR-Labor, wo sie die in der Natur vorkommenden Belastungen in Gewächshäusern simulieren können, um die Auswirkungen zu sehen verschiedene Pflanzen.
Es ist ein Beispiel dafür, wie Spitzenforschung nicht nur sofort im Unterricht, sondern auch in der Praxis eingesetzt wird.
Mehr Informationen:
William J. Pietro et al, Ein SiPM-fähiges tragbares verzögertes Fluoreszenz-Photonenzählgerät: Klimatische Pflanzenstress-Biosensorik, Biosensoren (2022). DOI: 10.3390/bios12100817