„Handy-Nase“ erschnüffelt Pflanzenkrankheiten - wissenschaft.de
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„Handy-Nase“ erschnüffelt Pflanzenkrankheiten

In Verbindung mit einem Smartphone detektiert das Gerät flüchtige organische Verbindungen von Pflanzen. (Bild: Zheng Li, NC State University)

Ganze Felder können in kurzer Zeit völlig verrotten – Landwirte müssen Krankheitsbefall so früh wie möglich erkennen und bekämpfen, sonst droht der Totalausfall. Für dieses Problem präsentieren Forscher nun einen raffinierten Lösungsansatz: Sie haben ein Zusatzgerät für Smartphones entwickelt, mit dem Landwirte ohne großen Aufwand auf dem Feld feststellen können, ob ihre Pflanzen befallen sind. Der Clou: Das Gerät riecht eine Erkrankung quasi – es kann flüchtige organische Verbindungen erfassen, die befallene Blätter abgeben.

Auch Hobbygärtner kennen das Problem: Zeigen sich an Tomatenpflanze und Co die ersten Symptome eines Krankheitsbefalls, greift die „Pest“ oft schnell um sich. Vor allem pilzliche Erreger wie Phytophtora oder Mehltau sind für ihre schnelle Ausbreitung und ihren verheerenden Effekt bekannt. Für Gartenliebhaber ist ein Befall zwar ärgerlich – für Landwirte kann er hingegen existenzbedrohend sein. Deshalb müssen sie Bekämpfungsmaßnahmen durchführen und dabei gilt: so früh wie möglich. Das heißt, am besten noch bevor Symptome an den Pflanzen zu erkennen sind.

Die gegenwärtigen Techniken zur Identifizierung von verborgenem Krankheitsbefall sind allerdings nicht gerade fix: Sie beruhen auf molekularen Tests, die in einem Labor durchgeführt werden müssen. Nach dem Einschicken einer Probe kann es deshalb Tage oder sogar Wochen dauern, bis das Untersuchungsergebnis vorliegt. Möglicherweise hat es sich dann aber bereits erübrigt – denn der Bestand ist möglicherweise schon deutlich von Symptomen gezeichnet. Manchmal hilft dann nur noch die „harte chemische Keule“ oder das Feld muss aufgegeben werden.

Ein Näschen für kranke Pflanzen

Hilfe bei dieser Problematik soll nun das Gerät bieten, das die Forscher um Qingshan Wei von der North Carolina State University in Raleigh entwickelt haben. „Diese Art von Innovation ist ein wesentlicher Bestandteil von Bemühungen, die darauf abzielen, neue Technologien zu entwickeln, die die Lebensmittelproduktion durch interdisziplinäre Wissenschaft verbessern“, sagt Wei. In diesem Fall handelt es sich um eine Kombination aus Technik, Chemie und Biologie: Das Gerät detektiert durch chemische Nachweisverfahren flüchtige organische Verbindungen der Pflanzen (volatile organic compounds, kurz VOCs).

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„Alle Pflanzen setzen beim ‚Atmen‘ VOCs frei, aber die Art und Konzentration dieser VOCs ändert sich, wenn eine Pflanze erkrankt ist“, erklärt Wei. „Jede Krankheit hat dabei eine eigene Signatur von VOCs. Wenn man also die Art und Konzentration der von der Pflanze freigesetzten VOCs messen kann, lässt sich feststellen, ob eine Pflanze erkrankt ist und – falls sie befallen ist – an welcher Krankheit sie leidet. Genau das leistet nun das handliche Gerät der Forscher.

Konkret funktioniert der Einsatz folgendermaßen: Zur Diagnose entnimmt der Landwirt einer Pflanze ein Blatt und legt es in ein Reagenzglas. Das Gefäß bleibt dann mindestens 15 Minuten lang verschlossen, damit sich die relevanten VOCs ansammeln können. Nach dieser Inkubationszeit schiebt der Nutzer ein feines Plastikröhrchen in das Reagenzglas, durch das die mit den VOCs beladene Luft in ein Analysegerät gepumpt wird, das an ein Smartphone angeschlossen ist. Die Probenluft wird dort in eine Kammer geleitet, die einen Teststreifen enthält.

Krankheits-Geruchsstoffe ergeben Farbmuster

Bei diesem Element handelt es sich um das eigentliche Kernstück der Entwicklung: Die Forscher haben das Papier mit chemischen Reagenzien bestückt, die ihre Farbe ändern, wenn sie mit bestimmten Substanzgruppen in Kontakt kommen. „Damit diese Technologie funktioniert, mussten wir Reagenzien entwickeln, die in die Papierstreifen eingebettet werden können“, sagt Co-Autor Zheng Li. Durch Auswerten des resultierenden Farbmusters auf dem Streifen können Benutzer dann die Art der Pflanzenkrankheit bestimmen.

In einem Proof-of-Concept-Test haben die Forscher die Fähigkeit des Geräts demonstriert, zehn spezifische VOCs zu erkennen. Sie waren dadurch in der Lage, die Pilzerkrankung Phytophthora infestans zu erkennen, die Tomaten- und Kartoffelpflanzen befällt. Dieser Erreger war für etwa eine Million Todesopfer verantwortlich: Die Krautfäule vernichtete im 19. Jahrhundert die Kartoffelernten in Irland und verursachte dadurch eine Hungersnot, die in die Geschichte eingegangen ist. Auch heute stellt der Erreger noch eine erhebliche Bedrohung dar und eine Früherkennung ist wichtig.

Mit ihrem System konnten die Forscher den Erreger nun mit einer Genauigkeit von mehr als 95 Prozent nachweisen und ihn auch von zwei anderen wichtigen pilzlichen Erregern unterscheiden, die ähnliche Symptome auf Tomatenblättern hervorrufen. „Wir haben gezeigt, dass die Technologie funktioniert“, resümiert Wei. Nun wollen er und seine Kollegen das Konzept weiter optieren und auch für mehrere Pflanzenkrankheiten anpassen.

Quelle: North Carolina State University, Fachartikel: Nature Plants, doi: 10.1038/s41477-019-0476-y

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