Hebrew University (HU) entwickelt Bio-Sensor, um frühe Anzeichen von Pflanzenstress zu erkennen und Ernteausfälle durch weltweite Klimaveränderungen zu verhindern. Den Stress frühzeitig zu erkennen, schützt die Pflanze und hilft den Menschen.
In der Pressemitteilung führt die HU weiter aus: “In dem Bestreben, die landwirtschaftliche Produktivität zu erhöhen und die Verschwendung einzuschränken, hat ein Team von Forschern der Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment der Hebrew University of Jerusalem (HU) eine Methode entwickelt, um Anzeichen von Stress zu erkennen, bevor die Pflanze geschädigt wird.
Pflanzen sind allen Arten von Wetter und anderen externen Faktoren ausgesetzt, die Schaden anrichten und die Fähigkeit der Pflanzen, Photosynthese zu betreiben und Früchte zu produzieren, beeinträchtigen. Wenn Landwirte ein frühes Warnsignal von der Pflanze erhalten, können sie rechtzeitig Maßnahmen zum Schutz der Pflanze ergreifen. So können massive Verluste verhindert und die nationalen Nahrungsquellen gesichert werden.
In der aktuellen Ausgabe von ‘Plant Physiology’ veröffentlichten Forschungsarbeit von Matanel Hipsch unter der Leitung von Dr. Shilo Rosenwaser am Institut für Pflanzenwissenschaften der HU haben Wissenschaftler molekulare Biosensoren in Kartoffeln vorgestellt, die eine Echtzeit-Überwachung von Stresssignalen der Pflanzen ermöglichen.
Das Ziel der Studie war es, eine innovative Technik zu entwickeln, die eine frühzeitige Erkennung von Stress und Unterernährung ermöglicht, ohne die Pflanze selbst zu schädigen. Die Forscher konzentrierten sich auf die einfache Kartoffel, eine wichtige Nahrungspflanze, die 40 % der israelischen Exporte ausmacht und für die weltweite Ernährungssicherheit entscheidend ist. Die Kartoffel mit dem lateinischen Namen ‘Solanum tuberosum’ liefert wichtige Nährstoffe wie Ballaststoffe, Vitamine, Mineralien, Proteine und Antioxidantien.
Durch den Einsatz von Gentechnik führte das Team ein neues Gen ein, das für ein fluoreszierendes Protein kodiert, das den Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies meldet – hochreaktive Moleküle, deren Anhäufung eine Stressreaktion anzeigt. Der Biosensor wurde gezielt in den Chloroplasten eingeschleust, die Organelle innerhalb der Zelle, die für die Photosynthese verantwortlich ist, den chemischen Prozess, der Licht in Energie für das Pflanzenwachstum umwandelt. Die Forscher waren dann in der Lage, das von den Biosensoren emittierte Licht zu überwachen und die Anfangsphase der pflanzlichen Stressreaktionen zu bestimmen.
“Durch den Einsatz einer Fluoreszenzkamera mit extrem hoher Empfindlichkeit konnten wir die von den Biosensoren ausgesendeten Fluoreszenzsignale überwachen und die Anhäufung reaktiver Sauerstoffspezies während der frühen Phase der Reaktion auf Stressbedingungen wie Trockenheit, extreme Temperaturen und hohe Lichtintensität feststellen”, erklärt Rosenwaser.
Die Forscher sind überzeugt, dass die Anwendung von Biosensoren auf andere wichtige Nutzpflanzen ausgeweitet werden kann – eine Anstrengung, die dazu beitragen wird, die Flut von unsicheren Nahrungsmitteln und Ernteausfällen aufgrund von Klimaveränderungen weltweit aufzuhalten.”
English Version
Hebrew University (HU) develops bio-sensor to detect early signs of plant stress and prevent crop failure due to global climate change. Detecting the stress early protects the plant and helps people.
In an effort to increase agricultural productivity and limit waste, a team of researchers from the Hebrew University of Jerusalem (HU)’s Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment developed a method to detect signs of stress before the plant is damaged.
Plants are exposed to all types of weather and other external factors that cause harm and impact plants’ ability to undergo photosynthesis and produce fruit. If farmers could get an early warning sign that their plants weren’t doing well, this would help them take measures to protect their produce, prevent significant losses and safeguard national food sources.
In new research published in Plant Physiology by Matanel Hipsch under the direction of Dr. Shilo Rosenwaser at HU’s Department of Plant Sciences, scientists have introduced molecular bio-sensors within potatoes that allow for real-time monitoring of stress signals within the plants.
The study’s objective was to develop an innovative technique that allowed for early detection of stress and under-nutrition without damaging the plant itself. The researchers chose to focus on the humble potato, as a major food crop that comprises 40% of Israel’s exports and is crucial for worldwide food security. Known by its Latin name, Solanum tuberosum, the potato provides essential nutrients such as dietary fiber, vitamins, minerals, protein, and antioxidants.
By employing genetic engineering, the team introduced a new gene coded to a fluorescent protein that reports the level of reactive oxygen specieses—highly reactive molecules that their accumulation signifies stress responses. The biosensor was targeted into the chloroplast, the organelle within the cell responsible for photosynthesis, the chemical process that transfers light into the energy to power plant growth. The researchers were then able to monitor the light emitted from the biosensors and determine the initial phase of plant stress responses.
“By using a fluorescent camera with extremely high sensitivity, we were able to monitor the fluorescence signals emitted from the biosensors and noticed the accumulation of reactive oxygen species during the early phase responses to stress conditions such as drought, extreme temperature, and high light,” explained Rosenwaser.
Researchers believe the application of biosensors can be expanded to other key crops—an effort that will help stem the tide of food insecurity and crop failures due to climate changes worldwide.