Wissenschaftler suchen seit langem nach neuen Wegen, um kontinuierlich zu überwachen, wie sich die veränderte Wasserverfügbarkeit auf Pflanzen auswirkt. Herkömmliche Methoden zur Messung des Wasserpotenzials, einem Schlüsselindikator für Pflanzenwasserstress, erfordern invasive Probenentnahmen, die das Gewebe schädigen. Jetzt haben Forscher es entwickelt vollständig Open-Source-Instrumente, mit denen der Wasserzustand der Pflanzen verfolgt werden kann mit beispiellos hoher Frequenz und zerstörungsfreier Präzision. Die im USDA durchgeführte Entwicklung wurde in veröffentlicht AoB PLANTS.

Dendrometer sind Sensoren, die radiale Stammveränderungen messen, die durch die Dynamik des Pflanzenwassers verursacht werden. Bei den meisten bestehenden Designs gibt es Einschränkungen für eine kontinuierliche Langzeitüberwachung. Ein Team unter der Leitung von Sean Gleason hat jedoch ein neuartiges Kontaktdendrometer entwickelt, das diese Probleme überwindet. Durch die Kombination von Dendrometerdaten mit periodischen herkömmlichen Wasserpotenzialmessungen kann ihr Gerät das Wasserpotenzial jede Minute oder weniger mit minimaler Störung von Pflanzengeweben abschätzen, die wenig oder kein Sekundärwachstum aufweisen (Blattstiele, einkeimblättrige Stängel).

Ziel dieser Studie war es nicht, den bereits beschriebenen Zusammenhang zwischen Durchmesservariation und Wasserpotenzial zu bestätigen, sondern vielmehr die Entwicklung eines kostengünstigen Sensors zu beschreiben. Dieser sollte hochauflösende Durchmessermessgeräte für alle zugänglich machen, die Durchmesserdaten benötigen, sowie die daraus ableitbaren Eigenschaften. Daher mussten Sensor, Software und Analysetools zur Erfassung und Auswertung dieser Messungen vollständig Open Source, kostenlos oder kostengünstig und einfach zu entwickeln, anzupassen und weiterzugeben sein.

Gleason et al. 2024

In Laborversuchen testeten die Forscher beide Dendrometer an Sonnenblumen und Mais während simulierter Trocknungs- und Bewässerungszyklen. Der Kontaktsensor wird direkt an den Pflanzenstängeln angebracht, während die optische Version eine berührungslose Technik nutzt. Bemerkenswerterweise zeigten die beiden Methoden eine sehr gute Übereinstimmung miteinander und mit direkten Wasserpotentialmessungen. Sie stellten subtile Unterschiede von 50 kPa fest, die leichten Veränderungen der Transpiration, des Dampfdrucks und der Bodenfeuchtigkeit entsprachen.

Um den realen Einsatz zu demonstrieren, setzte das Team das Kontaktdendrometer auf Sumach ein (Rhus typhina) verzweigt sich eine Woche lang im Freien. Es zeichnete kontinuierlich natürliche Schwankungen des Astdurchmessers auf, die vom Wasserzustand der Pflanze abhängen.

Zwei Hauptvorteile bei der Verwendung dieses neuen Dendrometers zur Quantifizierung des Wasserpotenzials sind seine hohe zeitliche Probenfrequenz, die in Sekundenschnelle misst, und die Möglichkeit, Proben an mehreren Punkten derselben Pflanze oder desselben Organs zu entnehmen. Darüber hinaus werden alle Hardware-Designs, Software und Anweisungen offen veröffentlicht, sodass jeder das Design nachahmen und verbessern kann.

Die Möglichkeit, die Wasserbeziehungen von Pflanzen so häufig und nicht-invasiv zu überwachen, eröffnet neue Möglichkeiten für die Forschung. Wissenschaftler können tiefere Einblicke in die physiologischen Reaktionen unter Stressbedingungen gewinnen, und Landwirte können Wege finden, die Bewässerung nachhaltiger zu steuern, indem sie den Wasserbedarf der Pflanzen genau verfolgen. Da Open Source die Zugänglichkeit gewährleistet, haben diese neuartigen Dendrometer das Potenzial, unser Verständnis und Management der Pflanzen-Wasser-Beziehungen weltweit zu verbessern und ein bahnbrechendes Werkzeug sowohl für die Forschung als auch für die nachhaltige Landwirtschaft zu bieten.

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Gleason S., Stewart J., Allen B., Polutchko K., McMahon J., Spitzer D. und Barnard D. (2024). „Entwicklung und Anwendung eines kostengünstigen Open-Source-Dendrometers zur Erfassung des Xylemwasserpotenzials und des radialen Stammwachstums mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung" AoB PLANTSVerfügbar unter: https://doi.org/10.1093/aobpla/plae009