Schlafende Pflanzen mit Plasmen wecken

Kommerzielle Nutzpflanzen wie Trauben, Pfirsiche, Beeren und Blumenzwiebeln ruhen alle im Winter und schlafen im Wesentlichen durch die saisonale Kälte, bevor sie in den wärmeren Monaten wieder wachsen, blühen und Früchte tragen.

Ein wichtiges Anliegen für kommerzielle Landwirte ist ein gutes und synchrones Baumwachstum. Das Problem in milden Winterklimata ist, dass die Pflanzen nicht genügend gekühlt werden, und die Wiederaufnahme des Wachstums wird mit einigen Knospen, die sogar nicht wachsen, verbreitet. Wenn die Obstgärten der ruhenden Bäume ungefähr zur gleichen Zeit wachsen, wird die Pflege der Bäume und die Ernte in der Regel einfacher und kostengünstiger – aber das Baumwachstum und sein Zeitpunkt werden durch die unvorhersehbaren Witterungsbedingungen im Winter bestimmt.

Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern der Jazan University of Saudi Arabia einen effektiven neuen Weg gefunden, um die Ruhephase von Trauben und anderen Obstpflanzen zu kontrollieren, indem sie sie mit Hilfe von Hightech-Plasmen aus dem Schlaf ihres Winters wecken.

Die Arbeiten können dazu beitragen, den Anbau von Obst- und Zierpflanzen, die in gemäßigten Klimazonen heimisch sind, auf Teile der Welt auszudehnen, in denen die Winter milder sind, darunter die südlichen Vereinigten Staaten, Mexiko, Brasilien, Südasien, Südostasien und den Nahen Osten. Es kann auch die Probleme des Temperaturanstiegs aufgrund der globalen Erwärmung in bestimmten Teilen der Welt mildern.

Die Arbeit wurde von einem Team von Wissenschaftlern geleistet, dem Habib Khemira, ein Gärtner, Zaka-ul-Islam Mujahid, ein Plasmaphysiker, und Taieb Tounekti, ein Pflanzenphysiologe, angehörten. „Künstliche Methoden zur Freisetzung der Ruhephase werden voraussichtlich in naher Zukunft aufgrund der globalen Erwärmung an Bedeutung gewinnen“, sagte Mujahid, der die Arbeit nächste Woche auf der 71. American Physical Society Annual Gaseous Electronics Conference und dem 60. Annual Meeting der APS Division of Plasma Physics vorstellen wird, das vom 5. bis 9. November im Oregon Convention Center in Portland stattfindet.

Obwohl die Methode im Labor funktionierte, muss sie noch praxiserprobt sein und sich als wirtschaftlich machbar und rentabel erweisen, um die industrielle Lebensmittelproduktion zu unterstützen.

Schlafen, Chance auf Knospenbildung

Während sich der kalte Winter in Richtung der einsamen Obstgärten hinzieht, spüren die Ernten die längeren Nächte und lebhafteren Tage und passen sich an, indem sie inaktiv werden. Ab dem Herbst verlieren sie ihre Blätter, verlangsamen ihre Stoffwechseltätigkeit und treten in einen „verschlafenen“ Zustand, in dem sie durch die kalten Monate hindurch bestehen bleiben.

Pflanzen werden aus ihrem Jack Frost Schlaf durch die Kälte des Winters selbst befreit. Sie spüren die Kälte, behalten den Überblick über die kalten Tage im Winter, und wenn genug von diesen kalten Tagen auftreten, reagieren die Pflanzen mit einer Erhöhung ihrer Stoffwechselprozesse, was zu Knospenbruch und Sprosswachstum führt, wenn die wärmeren Tage des Frühlings kommen.

Aber wenn Pflanzen in milden Winterregionen angebaut werden oder das Klima wärmer wird, erhalten sie möglicherweise nicht genügend Kühlung, um ihre Knospen rechtzeitig freizusetzen. Manchmal mit wackeligen Wetterbedingungen finden Sie Blumen, Früchte und schlafende Knospen gleichzeitig am selben Baum. In einem ganzen Obstgarten kann dies zu einer asynchronen Fruchtfolge führen – ein unerwünschtes Ergebnis für die Landwirte, da es Vorgänge wie Schädlingsbekämpfung erschwert und die Arbeitskosten erhöht und den Ertrag senkt.

Eine der Herausforderungen für die moderne Landwirtschaft besteht darin, Wege zu finden, um die maximale Anzahl von Knospen auf den Pflanzen zum Wachsen zu bringen und gleichzeitig Blumen und Früchte zu tragen. Dies würde einer größeren Blattfläche für die Fütterung der wachsenden Früchte und einer größeren Ernte entsprechen, die gleichzeitig pflückbereit ist.

Eine neuartige Lösung, die mit einer lockeren Diskussion begann.

Das saudi-arabische Team gelang es auf eine neue Art und Weise, die Pflanzen aus der Ruhe zu befreien, indem es sie Plasmen aussetzte, die spezielle, heiße, ionisierte Gase sind, die manchmal als vierter Aggregatzustand bezeichnet werden – neben Feststoffen, Flüssigkeiten und gewöhnlichen Gasen. Plasmen finden Sie in Blitzeinschlägen, Sternenkernen, himmlischen Auren und Neonschildern der alten Schule.

Wissenschaftler verwenden Plasmen für alles, von der Versorgung von Fusionstest-Reaktoren bis hin zur Sterilisation von medizinischen Implantaten. Das Team nutzte sie gezielt zur Behandlung ruhender Weinreben.

Sie fanden heraus, dass die Plasmabestrahlung einen oxidativen Stress innerhalb der Pflanze verursacht, genau die gleichen Signale, die durch die Kälte in den Zellen der ruhenden Pflanzen hervorgerufen werden, auf die die Knospen durch Erwachen reagieren. Durch die Behandlung der Traubenknospen mit den Plasmen fanden die Forscher heraus, dass sie die Ruhephase der Pflanze freigeben konnten – und zwar viel schneller als das Wetter und sicherer als die bisherigen künstlichen Methoden, bei denen die Pflanzen mit Chemikalien besprüht werden müssen.

Mujahid sagte, dass die Arbeit von einer ungezwungenen Diskussion begann, die er mit seinem Kollegen Khemira führte, einem leitenden Forscher am Center for Environmental Research and Studies der Jazan University. Khemira beschrieb seine Arbeit über oxidativen Stress in Traubenknospen, und sie entdeckten, dass niemand jemals versucht hatte, Plasmen zu benutzen, um oxidativen Stress zu verursachen und sie aus der Ruhephase zu befreien. Sie testeten bald den Ansatz, und es funktionierte. Taieb analysierte die Proben und stellte fest, dass die Plasmabehandlung tatsächlich einen oxidativen Stress verursachte, ähnlich dem, was durch natürliche Kälte und Wasserstoffcyanamid erreicht wird.

„Einige der Ergebnisse unseres ersten erfolgreichen Experiments waren phänomenal, und wir konnten nicht glauben, dass es wahr war“, sagte Mujahid. Schon wenige Minuten Plasmabehandlung an Knospen, die nie kaltes Wetter sahen, ermöglichten es den Pflanzen, einen ähnlichen, wenn nicht sogar besseren Knospenbruch zu erreichen, wie es Kontrollpflanzen taten, die optimale kalte Bedingungen erlebten (60 Tage Einwirkung von Temperaturen um 5 Grad Celsius).

Sie testeten den Ansatz an verschiedenen Traubensorten aus verschiedenen Anbaugebieten und fanden heraus, dass er bei allen zuverlässig funktioniert. Häufig beheben Gärtner das Problem der fehlenden Kühlung, indem sie Bäume mit Chemikalien wie beispielsweise Cyanwasserstoff besprühen. Das Problem ist, dass Wasserstoffcyanamid oder andere Chemikalien nur dann wirksam sind, wenn die Anlage einen wesentlichen Teil ihres Kältebedarfs aus natürlicher Kälte bezieht. Außerdem ist Cyanwasserstoff auch für Menschen, Wildtiere und die Pflanzen selbst giftig. Aus diesem Grund wurde die Chemikalie in mehreren Ländern verboten, sagte Khemira.

Ob der neue, umweltfreundlichere Ansatz mit Plasmen zur Behandlung schlafender Knospen greift, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, unter anderem davon, ob er sowohl auf dem Feld als auch im Labor effektiv funktioniert. Es muss an anderen Kulturen als Trauben getestet werden, und die Kosten für die Ausrüstung müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

„Es gibt noch viel Arbeit, um die Effektivität und Machbarkeit zu testen“, sagte Mujahid. „Wir sind dabei, die richtigen Parameter zu finden, um es auf den Feld zu bringen, aber es könnte innerhalb weniger Jahre in Betrieb sein.“

Khemira sagte, wenn die praktischen Aspekte ausgearbeitet werden und sich der neue Ansatz tatsächlich als wirtschaftlich tragfähig erweist, würde er die Art und Weise, wie wir viele Kulturen anbauen, revolutionieren. Die Forscher haben ein Patent für das Verfahren und das Liefersystem angemeldet.

Mehr Informationen:
Präsentation #PR2.12, „Plasmaunterstützte Entfernung der Traubenknospenruhe als effektive Alternative zur natürlichen Kühlung“ von Zaka-ul-Islam Mujahid, Habib Khemira und Taeib Tounekti ist Donnerstag, 8. November, 12:15 Uhr im Raum A105 des Oregon Convention Center. Zusammenfassung: Meetings.aps.org/Meeting/GEC18/Session/PR2.12

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