Nano-Tattoos für Pflanzen

Miniatur-Sensoren aus Graphen, einer speziellen Modifikation von Kohlenstoff, reagieren empfindlich auf Luftfeuchtigkeit. Auf diese Weise können die Sensoren auch die Transpirationsrate von Blättern und den Wassertransport in Pflanzen erfassen.

Der Wassertransport in Pflanzen und die Transpiration sind wichtige physiologische Prozesse. Sie sind entscheidende Faktoren für die Wassernutzungseffizienz einer Pflanze, also der Fähigkeit der Pflanze, auch mit Wassermangel umzugehen. Eine hohe Wassernutzungseffizienz lässt die Erträge steigen. Ein Forschungsteam hat jetzt einen graphenbasierten Sensor im Nanobereich entwickelt, mit dem der Wassertransport auf einfachem Wege  gemessen werden kann, ohne die Pflanze dabei im Wachstum zu behindern.

Graphen und Graphenoxid

Graphen ist eine spezielle Erscheinungsform des Kohlenstoffs. Es besitzt eine flächige (zweidimensionale) Schicht aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen. Es ist das dünnste Material der Welt. Graphen hat besondere Eigenschaften, unter anderem sind Graphenlagen von der Dicke eines Atoms sehr stabil und haben eine gute elektrische Leitfähigkeit.

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Für die Untersuchungen entwickelte das Forschungsteam eine Methode, spezielle Graphen-Sensoren herzustellen. Dazu wird eine Negativform auf einem Polymerblock erstellt und diese mit flüssigem Graphen aufgefüllt. Nach dem Aushärten des Graphens werden überflüssige Schichten entfernt und schließlich der fertige Graphen-Sensor mit einem Klebeband aus der Form genommen. Auf diesem Weg können Graphen-Sensoren mit extrem dünner Schichtdicke auf relativ einfachem und kostengünstigem Weg hergestellt werden.

Für ihre Pflanzenversuche verwendete das Forschungsteam Graphenoxid. Es besteht aus Graphen, das an verschiedenen Stellen im Kohlenstoffgitter Gruppen von anderen Atomen (sogenannte „funktionelle Gruppen“) mit Sauerstoff enthält. Graphenoxid reagiert auf Wasserdampf mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit, so dass eine Zunahme der Transpiration bei Pflanzen einfach nachgewiesen werden kann. Für die Messungen wird eine Graphenoxidlage wie oben beschrieben hergestellt und mittels transparentem Klebeband wie ein „Klebe-Tattoo“ auf die Pflanze aufgebracht. Durch die extreme Feinheit des Materials wird die Pflanze durch den Sensor nicht weiter belastet.

Einfache Messungen der Transpiration bei Pflanzen

Mit graphenbasierten Sensoren untersuchte das Forschungsteam die Zeitdauer, die Wasser innerhalb einer Pflanze von den Wurzeln bis zu den untersuchten Blättern brauchte. Dazu nutzten sie Graphenoxid-Sensoren, die sechs mm lang, 800 µm breit und 10,3 µm dick waren. Die Sensoren wurden dazu nicht direkt auf das Blatt geklebt, sondern es wurden links und rechts neben dem Sensor zwei weitere Klebestreifen befestigt, so dass zwischen der Blattoberfläche und dem Sensor eine 170 µm breite Lücke entstand. Sobald die Transpirationsrate an den untersuchten Blättern steigt, erhöht sich die relative Luftfeuchtigkeit auf der Oberfläche der Blätter. Das führt wiederum zu einer Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des Sensors.

Als Testpflanzen wurden jeweils drei junge Maispflanzen aus zwei unterschiedlichen Linien genutzt: Die eine Pflanzengruppe stammte aus der Inzucht-Linie B73, die andere hatte einen gemischten genetischen Hintergrund. Zur Messung wurden jeweils das fünfte und das neunte Blatt mit einem Sensor versehen. Die Messungen begannen 15 Minuten bevor eine kurze künstliche Bewässerung einsetzte.

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Nach der Bewässerung konnte für die Pflanzen aus der B73er Linie eine Erhöhung der Leitfähigkeit und damit eine gesteigerte Transpirationsrate am fünften Blatt nach 55 Minuten gemessen werden. Am neunten Blatt veränderte sich die Leitfähigkeit nach 135 Minuten. Die anderen Maispflanzen zeigten nach 82 und 110 Minuten entsprechende Veränderungen. Die Pflanzen der B73er Linie benötigten demnach 80 Minuten (+/- 11 Minuten) für den Wassertransport zwischen fünftem und neuntem Blatt, die Pflanzen der gemischten Linie 28 Minuten (+/- 10 Minuten).

Große Möglichkeiten für die Zukunft

Dieser Versuch hat gezeigt, dass der Wassertransport innerhalb einer Pflanze mit dem neuen Sensor genau vermessen werden kann. Züchter können die Methode nutzen, geeignetes Pflanzenmaterial mit den gewünschten Wassertransportraten gezielt auszuwählen.

Der Sensor wäre auch für ein kontinuierliches Monitoring von Transpirationsraten unter veränderten Umweltbedingungen geeignet, so wie sie beispielsweise in der neuen Kulturpflanzenhalle des IPK Gatersleben unter feldähnlichen Bedingungen exakt simuliert werden können. Kulturpflanzen könnten so schneller an den Klimawandel angepasst werden. Das hochmoderne Aufzuchtlabor des IPK ist Teil des bundesweiten Deutschen Pflanzen-Phänotypisierungs-Netzwerks (DPPN). Für den Bau des Gebäudes sowie technische Anlagen wurden insgesamt 7,8 Mio. Euro investiert. 5,8 Mio. Euro steuerten das Bundesforschungsministerium und das Land Sachsen-Anhalt bei.

Das Forschungsteam weist zudem darauf hin, dass in die Graphen-Sensoren weitere Substanzen eingebaut werden könnten, wie zum Beispiel Enzyme. So könnten in Zukunft auf einfache Weise unterschiedliche Vorgänge innerhalb von Pflanzen mit Miniatursensoren detailliert erfasst werden.