AVT-Kamera prüft die Gesundheit von Pflanzen


Das Fluorometer der Firma Walz mit Manta CCD-Kamera misst die Photosynthese-Aktivität von Pflanzen, um ihren Gesundheitszustand zu analysieren. Anwendung findet das System in der Biowissenschaft sowie in der Land- und Forstwirtschaft.

Das Fluorometer der Firma Walz mit Kamera Manta

Bildverarbeitungssystem zur Messung der Intensität der Photosynthese in Pflanzen

Graphische Darstellung der Photosynthese anhand einer Farbskala

Wie entwickeln sich Bäume oder Nutzpflanzen auf dem Acker? Wie reagieren sie auf Krankheiten, Parasiten- oder Pilzbefall? Wie vertragen Sie den Klimawandel? Mit welchen Arten können Land- und Forstwirtschaft  die Erträge steigern und gleichzeitig das Ziel der ökologischen Nachhaltigkeit verfolgen? Um diese Fragen zu beantworten entwickelte die Firma Heinz Walz GmbH aus dem Bayrischen Effeltrich einen Fluorometer, das die Intensität der Photosynthese in Pflanzen schnell und genau ermitteln kann.

Wie aktiv die Photosynthese in einer Pflanze verläuft, hängt von ihrer Wachstumsphase und ihrer Gesundheit ab. Die Aktivität der Photosynthese und der Gesundheitszustand einer Pflanze dokumentieren sich nach außen über das Chlorophyll. Bei gesunden Pflanzen in der Wachstumsphase läuft die Photosynthese auf ihrem maximalen Niveau und die Blätter sind tiefgrün. Bei reifem Getreide dagegen sinkt sie auf nahe Null und die Pflanzen sind strohfarben. Solche groben, äußerlichen Farbänderungen kann man mit bloßem Auge erkennen, aber sie lassen nur bedingt Schlussfolgerungen zu. Sie spiegeln nur den Gehalt an Chlorophyll wider, nicht dessen Aktivität.

Wissenschaftliche Aussagen über die Effizienz der Photosynthese in einer Pflanze lassen sich also nur mit präziser Messung treffen. Zudem kann innerhalb einer Pflanze die Photosynthese von Blatt zu Blatt unterschiedlich verlaufen. Die Effizienz der Photosynthese hängt von der Lichtsituation ab und kann von Blatt zu Blatt variieren, je nach dessen Gesundheitszustand.

Fluoreszenzmessungen zeigen Intensität der Photosynthese

Chlorophyll absorbiert Licht vor allem im blauen Spektralbereich bei Wellenlängen von 400 bis 500 nm und im roten Bereich bei 600 bis 700 nm. Wie bei fast allen physikalisch-chemischen Umwandlungen kommt es auch bei der Photosynthese zu Verlusten, die unter anderem in Form von Fluoreszenz und Wärme abgegeben werden. Die Aktivität der Photosynthese zeigt den physiologischen Zustand der Pflanze an. Über die Fluoreszenz kann die Photosynthese gemessen werden, ohne die Pflanze zu zerstören. Da aber nur wenige Prozent der eingestrahlten Energie in Fluoreszenz umgesetzt werden, erfordert dies ein hochempfindliches Messsytem.

Damit lässt sich ermitteln, wie stark Pflanzen durch Hitze, Kälte, Salz usw. gestresst sind. „Man kann sogar zweifelsfrei feststellen, wie Pflanzen den Klimawandel vertragen, noch bevor Schäden sichtbar werden“, so Oliver Meyerhoff, Wissenschaftler bei Walz GmbH. Auch Krankheitsbefall oder Pilzresistenz lassen sich so nachweisen. Auf dem Gebiet der Ökophysiologie kann man etwa im Feld oder in Klimakammern nachprüfen, wie Pflanzen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren und mit welchen Pflanzenarten die Land- bzw. Forstwirtschaft auch in Zukunft effizient zu betreiben ist. Weiter können auch der optimale Erntezeitpunkt von Getreide bestimmt oder die Lagerbedingungen von Obst optimiert werden.

Mit der IMAGING PAM M-Series entwickelte Walz ein Fluorometer, das solche Messungen schnell und genau ermöglicht. PAM steht für Puls-Amplituden-Moduliert. Das System richtet sich an viele Forschungsdisziplinen – von der grundlegenden Physiologie höherer und niederer Pflanzen über Korallenforschung bis hin zur marinen Ökophysiologie. „Die Fluoreszenzausbeute ist örtlich verschieden, was Rückschlüsse auf die Effizienz der Photosynthese und damit auf die Vitalität der gemessenen Probe zulässt“, fasst Oliver Meyerhoff zusammen. Das System besteht aus einem Messkopf mit integrierter Spezialbeleuchtung und einer Digitalkamera. In den Messkopf können je nach Ausführung Proben unterschiedlicher Größe eingesetzt werden. Hier sind die Proben vor Außenlicht geschützt und werden mit präzisen Lichtimpulsen beleuchtet. Als Lichtquelle fungieren blaue oder rote Hochleistungs-LEDs, deren Spektrum auf die Absorptionscharakteristika des Chlorophylls abgestimmt sind.

Der Messvorgang beginnt zunächst mit der Fluoreszenzanregung durch Lichtimpulse von wenigen Mikrosekunden. Mit Hilfe der Kamera wird anschließend die Fluoreszenzausbeute gemessen. Die Intensität des Messlichts ist so gering, dass es die Photosynthese noch nicht antreiben kann. Die Pflanze verhält sich also wie in der Dunkelheit, ihre Photosysteme sind „offen“.

Als nächster Schritt folgt ein kurzer, für die Pflanze sättigender Lichtblitz. Auch hier wird die Fluoreszenzausbeute mit der Kamera erfasst. Dieser Blitz ist mit 400 bis 800 ms sehr kurz und treibt daher ebenfalls weder die Photosynthese an, noch schädigt er die Pflanze. Die Photosysteme sollen durch das starke Licht (bis zum Zehnfachen der Sonnenintensität) komplett geschlossen werden. Dadurch lässt sich die Anzahl dieser aktiven Zentren in der Probe bestimmen.

„Nach diesen beiden ersten Schritten wissen wir, wie sich die Pflanze in der Dunkelheit und bei maximalem Licht verhält“, erklärt Oliver Meyerhoff. „Nach dieser Kalibrierung können wir Messungen mit verschiedenen Beleuchtungen kombinieren und die Werte interpretieren“.
Die von der Kamera erfassten Bilder werden von der proprietären ImagingWin Software von Walz angezeigt und analysiert. Die Werte werden über eine Farbskala graphisch im Bild dargestellt. 18 verschiedene Parameter können in verschiedenen Farbpaletten wiedergegeben werden. Über die Software erfolgt auch die Steuerung des gesamten Systems. Einige Standardexperimente sind schon vorprogrammiert und lassen sich einfach abrufen. Fortgeschrittene Nutzer können aber auch ihre eigenen Scripts für komplexere Einstellungen selbst programmieren.

Modulares Fluorometer für Feld und Labor mit AVT Kameratechnik
Um die verschiedenen Anforderungen bedienen zu können, verfügt die IMAGING PAM M-Serie über drei verschiedene Messköpfe (MAXI, MINI, Microscopy). Diese unterscheiden sich in erster Linie durch das damit abdeckbare Messfeld – von 1 mm² für den Mikroskop bis hin zur Größe einer Multiwell-Platte (10 x 13 cm). Damit können sowohl großflächige Proben als auch einzelne Zellen oder sogar einzelne Chloroplasten gemessen werden. Dank der modularen Bauweise ist ein schneller Umbau vom MINI- zum MAXI-Messkopf möglich, ohne dass ein komplettes zweites Gerät gekauft werden müsste.

"Wir müssen mit optischen Filtern Wellenlängen größer 665 nm selektieren, Auf diese Weise analysieren wir wirklich nur die Fluoreszenz vom Chlorophyll und schließen phenolische Fluoreszenz oder unser eigenes Messlicht aus. Da wir gerade im 'fernroten' Wellenlängenbereich eine hohe Empfindlichkeit benötigen",  ist für uns die Option einer erweiterten NIR-Empfindlichkeit besonders interessant", ergänzt Oliver Meyerhoff.

Für die Bilderfassung setzt Walz auf Manta Digitalkameras von Allied Vision Technologies. Für die MINI-Variante kommt eine Manta G-033B Monochromkamera mit VGA-Auflösung (640 x 480 Pixel) zum Einsatz. Diese Kamera ist mit einem hochwertigen CCD-Sensor von Sony ausgestattet. Für die MAXI-Variante wählte Walz die Manta G-145B mit 1,4 Megapixel Auflösung (1388 x 1038 Pixel). Deren Sony Sensor ist dank EXview HAD CCD Technologie hochempfindlich – insbesondere im Nahinfrarotbereich. Wie alle AVT-Kameras glänzen beide Manta-Modelle mit der unübertroffenen Präzision ihrer Sensorausrichtung, die für gestochen scharfe Bilder sorgt – ein wichtiges Kriterium für Präzisionsmessgeräte.

„Wir setzen nur noch Kameras von Allied Vision Technologies ein“, kommentiert Oliver Meyerhoff. „Wir arbeiten schon seit vielen Jahren mit AVT zusammen und konnten uns immer nicht nur auf eine hohe Qualität, sondern auch auf einen hervorragenden Service immer verlassen. Dank des GigE Vision Interfaces lässt sich die Manta sehr einfach in unser System integrieren. Hinzu kommt die Möglichkeit, die Kamera sowohl über die Gigabit-Ethernet-Schnittstelle als auch über den Serial I/O-Port von der Zentraleinheit aus zu steuern“. Ob auf dem Feld oder am Mikroskop – Dank der IMAGING PAM M-Series mit AVT-Kameratechnik können Wissenschaftler den Stoffwechsel von Natur- und Nutzpflanzen untersuchen um nachhaltige Lösungen für Mensch und Umwelt zu entwickeln.