Neue, tragbare Technologie schnüffelt Pflanzenkrankheiten im Feld aus
Forscher der North Carolina State University haben eine tragbare Technologie entwickelt, die es den Landwirten ermöglicht, Pflanzenkrankheiten auf dem Feld zu identifizieren. Das tragbare Gerät, das an ein Smartphone angeschlossen ist, arbeitet durch Probenahme der flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die die Pflanzen durch ihre Blätter freisetzen.
Zheng Li, NC State University
"Alle Pflanzen setzen VOCs frei, während sie atmen", aber die Art und Konzentration dieser VOCs ändert sich, wenn eine Pflanze krank ist", sagt Qingshan Wei, Assistenzprofessor für chemische und biomolekulare Technik und korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit. "Jede Krankheit hat ihr eigenes Signaturprofil von VOCs. Durch die Messung der Art und Konzentration der von der Pflanze freigesetzten VOCs können Sie also feststellen, ob eine Pflanze krank ist und - wenn sie krank ist - welche Krankheit sie hat.
"Unser Beitrag dazu ist die Entwicklung eines Geräts, das an ein Smartphone angeschlossen und verwendet werden kann, um diese VOC-Messungen schnell im Feld durchzuführen", sagt Wei, der auch Mitglied der Fakultät im Cluster Emerging Plant Disease and Global Food Security des NC State ist.
Aktuelle Techniken zur Identifizierung von Krankheiten basieren auf molekularen Assays, deren Durchführung Stunden in Anspruch nimmt und - was am wichtigsten ist - in einem Labor durchgeführt werden muss. Wenn eine Probe ins Labor gebracht wird, wo die Probe möglicherweise auf die Prüfung warten muss, kann dies die Identifizierung der Krankheit um Tage oder Wochen verzögern.
"Unsere Technologie wird den Landwirten helfen, Krankheiten schneller zu erkennen, so dass sie die Ausbreitung der Krankheit und die damit verbundenen Ernteschäden begrenzen können", sagt Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor of Plant Pathology am NC State, Co-Autor des Papiers und Direktor des Clusters. "Wir sind jetzt bereit, die Technologie zu erweitern."
So funktioniert die Technologie. Wenn ein Landwirt den Verdacht hat, dass eine Pflanze krank sein könnte, kann er ein Blatt von der betreffenden Pflanze nehmen und es in ein Reagenzglas legen. Das Reagenzglas wird dann für mindestens 15 Minuten verschlossen, damit sich die relevanten VOCs ansammeln können. Nach dieser Inkubationszeit wird die Kappe entfernt und der Landwirt verwendet einen schmalen Kunststoffschlauch, um die VOC-beladene Luft in ein an ein Smartphone angeschlossenes "Lesegerät" zu pumpen.
Die Luft wird in eine Kammer im Leser gepumpt, die einen Papierstreifen enthält. Das Papier ist mit einer Reihe von chemischen Reagenzien eingebettet, die ihre Farbe ändern, wenn sie mit einer bestimmten chemischen Gruppe in Berührung kommen. Durch die Auswertung des resultierenden Farbmusters auf dem Streifen kann der Anwender die Art jeder Pflanzenkrankheit bestimmen, die die Pflanze betreffen könnte.
"Damit diese Technologie funktioniert, mussten wir Reagenzien entwickeln, die in die Papierstreifen eingebettet werden können", sagt Zheng Li, Postdoc-Forscher bei NC State und Erstautor der Arbeit. "Etwa die Hälfte der Reagenzien waren handelsübliche organische Farbstoffe, die andere Hälfte waren Goldnanopartikel, die wir funktionalisiert haben, um auf bestimmte chemische Gruppen zu reagieren. Diese funktionalisierten Nanopartikel ermöglichen es uns, verschiedene Arten von VOCs genauer zu erkennen."
"Wir mussten auch das Lesegerät entwerfen und bauen, da es so etwas nicht auf dem Markt gibt", sagt Wei.
In Proof-of-Concept-Tests demonstrierten die Forscher die Fähigkeit des Geräts, 10 pflanzliche VOCs bis in den Bereich von Teilen pro Million zu erkennen und zu klassifizieren. Sie konnten den Krautfäuleerreger nachweisen, der zwei Tage nachdem Tomatenpflanzen mit dem Erreger geimpft wurden, die irische Hungersnot verursachte. Forscher konnten auch die Tomatenfäule von zwei anderen wichtigen Pilzerregern unterscheiden, die ähnliche Symptome an Tomatenblättern hervorrufen. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass sie den Erreger Phytophthora infestans in Tomatenblättern mit einer Genauigkeit von mehr als 95% nachweisen konnten.
"Wir haben gezeigt, dass die Technologie funktioniert", sagt Wei. "Es gibt zwei Bereiche, in denen wir es noch besser machen könnten. Erstens möchten wir die Musteranalyse mit Hilfe von Software für das Smartphone automatisieren, was den Landwirten die Durchführung von Krankheitsbestimmungen erleichtern würde.
"Zweitens stellen wir uns die Entwicklung maßgeschneiderter Leserstreifen vor, die dazu dienen, die VOCs zu messen, die mit anderen Krankheiten im Zusammenhang stehen, die für eine bestimmte Kultur spezifisch sind. Verschiedene Kulturen in verschiedenen Regionen sind mit unterschiedlichen Bedrohungen konfrontiert, und wir könnten Papierstreifen entwickeln, die auf diese spezifischen Probleme zugeschnitten sind.
"Diese Art von Innovation ist ein integraler Bestandteil der Ziele der NC State Plant Sciences Initiative, die darauf abzielt, neue Technologien zu entwickeln, die die Lebensmittelproduktion durch interdisziplinäre Wissenschaft verbessern", sagt Wei.
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