Pflanzen-Schädlinge lassen sich auf Fluoreszenz-Bildern früh erkennen
Wenn Pflanzen mit Pilzen oder anderen Schädlingen infiziert sind, sieht der Landwirt das oft an Flecken auf den Blättern. Biologen von der Uni Würzburg können einen Befall sogar schon dann erkennen, wenn er mit bloßem Auge noch gar nicht zu sehen ist.
Chlorophyll-Fluoreszenz-Bilder machen den Verlauf des Befalls deutlich: Ein vom Bakterium Pseudomonas syringae in der oberen Hälfte infiziertes Blatt der Ackerschmalwand drei, 24 und 48 Stunden (von links) nach der Infektion.
Fotos: K. Bonfig
Links der Erreger des Grauschimmels, Botrytis cinerea, kultiviert auf einer Petrischale. Daneben ein Tomatenblatt, das an zwei Stellen mit dem Pilz infiziert und drei Tage danach fotografiert wurde. Mit der Chlorophyll-Fluoreszenz-Bildgebung (rechts) ist der Pilzbefall schon nach 48 Stunden deutlich erkennbar.
Fotos: I. Raacke, M. Papadopoulos, U. Schreiber
Pflanzen sind ständig den Angriffen von Insekten, Pilzen, Bakterien und Viren ausgesetzt. Die Schädlinge stehlen ihnen die Kohlenhydrate, die bei der Photosynthese entstehen. Indirekt richten sie aber noch mehr Schaden an: Bei einer Infektion setzt die Pflanze nämlich Abwehrreaktionen in Gang, in deren Verlauf häufig die Photosynthese und damit auch das Wachstum gehemmt werden.
Diese Hemmung der Photosynthese ist erkennbar, noch bevor sich der Schädling in der Pflanze ausgebreitet hat. Das wird möglich, weil das Blattgrün der Pflanzen, das Chlorophyll, nicht das gesamte Sonnenlicht für die Photosynthese ausnutzen kann. Einen kleinen Teil davon strahlt es als rotes Fluoreszenz-Licht wieder ab. "Wenn man intakte Blätter mit blauem Licht beleuchtet und durch einen roten Filter betrachtet, kann man diese Fluoreszenz sichtbar machen", erklärt Professor Thomas Roitsch. Und man kann die Fluoreszenz messen und feststellen, ob die Photosynthese normal oder schlechter funktioniert.
Hierfür wenden die Würzburger Forscher eine neue Methode an, die Chlorophyll-Fluoreszenz-Bildgebung. Schon geringste Änderungen der Photosyntheserate lassen sich damit entdecken. Mit einer digitalen Schwarz-Weiß-Kamera werden Fluoreszenz-Bilder von Blättern oder ganzen Pflanzen aufgenommen. "Dann berechnet ein Computer die Lichtausnutzung der Blätter und weitere Parameter. Das Ergebnis wird in so genannten Falschfarben dargestellt", sagt der Professor. Vorteil der Methode: Das untersuchte Pflanzenorgan wird durch die Messung nicht geschädigt. So kann der zeitliche Verlauf einer Infektion an ein und demselben Objekt verfolgt werden.
Thomas Roitsch und Susanne Berger vom Lehrstuhl für Pharmazeutische Biologie arbeiten bei diesem Projekt mit Tomaten und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), deren Erbgut vollständig bekannt ist. Als Krankheitserreger verwenden sie das Bakterium Pseudomonas syringae, das bei Pflanzen den weit verbreiteten Bakterienbrand verursacht, und den Pilz Botrytis cinerea, Erreger des bei Gärtnern und Landwirten gefürchteten Grauschimmels.
Die ersten Ergebnisse: Eine Infektion durch das Bakterium kann mit der Chlorophyll-Fluoreszenz-Bildgebung bereits wenige Stunden später nachgewiesen werden - für das Auge wird sie erst nach 24 Stunden sichtbar. Auch an Tomatenblättern lässt sich ein Befall mit Grauschimmel schon einige Stunden nach dem Aufbringen der Pilzsporen nachweisen, während die Symptome ebenfalls erst 24 Stunden später auftreten.
Derzeit untersuchen die Wissenschaftler, ob verschiedene Erreger die Fluoreszenz der Blätter jeweils spezifisch verändern und sich so unterscheiden lassen. Das könnte für die Praxis von Bedeutung sein: Rechtzeitig erkannte Infektionen bei Nutzpflanzen würden sich gezielt behandeln lassen, bevor die Krankheit fortschreitet, auf benachbarte Pflanzen übergreift und zu größeren Schäden führt.
Dieses Projekt wird im Rahmen des Förderschwerpunktes Gentechnik vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz finanziell gefördert. Roitsch kooperiert dabei mit dem Institut für Physikalische Biologie der Universität Südböhmen in Nové Hrady in der Tschechischen Republik. Die hierbei anfallenden gegenseitigen Forschungsaufenthalte, besonders auch von Nachwuchswissenschaftlern, werden vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) gefördert.
Weitere Informationen: Prof. Dr. Thomas Roitsch, T (0931) 888-6174, Fax (0931) 888-6182, E-Mail: roitsch@biozentrum.uni-wuerzburg.de
Dr. Susanne Berger, T (0931) 888-6170, Fax (0931) 888-6182, E-Mail:
berger@biozentrum.uni-wuerzburg.de
