DE112006000480B4 - Method for evaluating the vitality of chlorophyll-bearing biological samples - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bewertung der Vitalität chlorophylltragender biologischer Proben mit einer Zeitverlaufsmessung einer Sauerstoffkonzentration (c) in einer unmittelbaren räumlichen Umgebung der biologischen Probe bei wechselnder Beleuchtung mittels Messung einer Reaktionszeit (D) zwischen dem Zeitpunkt eines abrupten Beleuchtungswechsels und dem Zeitpunkt eines lokalen Extremwertes in der zeitabhängigen Sauerstoffkonzentration zur Bestimmung des Adaptionsverhaltens der Photosyntheseleistung, wobei die Zeitverlaufsmessung der Sauerstoffkonzentration (c) in einer unmittelbaren räumlichen Umgebung der biologischen Probe bei wechselnder Beleuchtung mit folgenden Verfahrensschritten ausgeführt wird: – einer Messung einer zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration (c) während einer Dunkelzeit (tD) bei einer abgeschalteten Beleuchtung, – einer Messung der Reaktionszeit (D) zwischen einem Einschaltzeitpunkt (ton) der Beleuchtung und einem Zeitpunkt (tmin) eines auf den Einschaltzeitpunkt folgenden lokalen Minimums der Sauerstoffkonzentration, – einer Messung einer zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration während einer Hellzeit bei eingeschalteter Beleuchtung, – einer Bestimmung eines sich bei eingeschalteter Beleuchtung einstellenden Sättigungswertes (M) der Sauerstoffkonzentration, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration (c) während der Dunkelzeit (tD) ein diese zeitliche Veränderung beschreibender Respirationsparameter (R) und aus der zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration (c) während der Hellzeit ein diese zeitliche Veränderung beschreibender Slope-Parameter (S) ermittelt wird, wobei aus dem negativen Verhältnis des Slope-Parameters „S” und des Respirationsparameters „R” ein Koeffizient der photosynthetischen Aktivität KphA = –S/R bestimmt wird.Method for evaluating the vitality of chlorophyll-bearing biological samples with a time course measurement of an oxygen concentration (c) in an immediate spatial environment of the biological sample with changing illumination by measuring a reaction time (D) between the time of an abrupt change of illumination and the time of a local extreme in the time-dependent oxygen concentration for determining the adaptation behavior of the photosynthetic power, wherein the time course measurement of the oxygen concentration (c) in an immediate spatial environment of the biological sample is carried out with changing illumination with the following method steps: - a measurement of a temporal change in the oxygen concentration (c) during a dark time (tD) a switched off illumination, - a measurement of the reaction time (D) between a switch-on time (ton) of the lighting and a time (tmin) of a switch-on time following local minimum of the oxygen concentration, - a measurement of a temporal change in the oxygen concentration during a bright time when the lighting is switched on, - a determination of a set when the lighting illumination saturation value (M) of the oxygen concentration, characterized in that from the temporal change of the oxygen concentration (c ) during the dark time (tD), this temporal change descriptive Respirationsparameter (R) and from the temporal change of the oxygen concentration (c) during the bright time, this time change descriptive slope parameter (S) is determined, wherein from the negative ratio of the slope Parameters "S" and the respiratory parameter "R" a coefficient of photosynthetic activity KphA = -S / R is determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung der Vitalität (Lebensenergie) chlorophylltragender biologischer Proben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for evaluating the vitality (life energy) of chlorophyll-carrying biological samples according to the preamble of
Grüne Pflanzen sind autotrophe Organismen. Das heißt, dass diese mit Hilfe von Lichtenergie, insbesondere aus dem Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes anorganische Substanzen aufnehmen und in organische Substanzen, insbesondere Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße überführen. Dabei nehmen die Pflanzen bekanntermaßen Kohlendioxid aus der Luft sowie Wasser und Mineralsalze aus dem Boden auf und geben molekularen Sauerstoff in die Umgebung ab. Dieser Prozess der autotrophen Assimilation wird als Photosynthese bezeichnet und läuft innerhalb der Chloroplasten der Pflanzenzellen ab. Im Folgenden werden unter dem Begriff der Pflanzen oder Pflanzenteile sämtlich autotrophe Organismen bzw. Teile derartiger Organismen verstanden.Green plants are autotrophic organisms. This means that they absorb inorganic substances with the aid of light energy, in particular from the radiation spectrum of sunlight, and convert them into organic substances, in particular carbohydrates, fats and proteins. The plants are known to take carbon dioxide from the air and water and mineral salts from the soil and release molecular oxygen into the environment. This process of autotrophic assimilation is called photosynthesis and occurs within the chloroplasts of plant cells. In the following, the term "plants or plant parts" is understood to mean all autotrophic organisms or parts of such organisms.
Die Grundreaktionen im Kreislauf von Auf- und Abbau von organischem Material können – stark vereinfacht – folgendermaßen formuliert werden:
Zunächst erscheint aus diesen Beziehungen der Nachweis von Sauerstoff oder Kohlendioxid in den angegebenen Prozessen gleichwertig und gleichermaßen aussagekräftig. Oben genannte Reaktionsgleichungen sind stark vereinfacht.First of all, the evidence of oxygen or carbon dioxide in these processes appears to be equivalent and equally meaningful in these processes. The above-mentioned reaction equations are greatly simplified.
Bei der Beurteilung der Wirkungen gewisser agrochemischer Wirkstoffe oder Düngemittel, beispielsweise Herbizide oder Insektizide sowie diverser Kunstdüngerpräparate, ist es notwendig, die sogenannte Vitalität der Pflanzen unter der Wirkung der genannten Stoffe zu beurteilen. Dabei ist dieses Beurteilungskriterium gegenwärtig nicht scharf umrissen und ergibt sich bislang aus einer subjektiven Bonitur durch Landwirte, Gärtner, Forstwirte oder sonstige Experten, die aufgrund einer langjährigen Erfahrung einschätzen können, ob eine jeweils getestete Pflanze auf die Behandlung mit dem entsprechenden Wirkstoff „gut”, „weniger gut” oder „nachteilig” anspricht oder sich hinreichend widerstandsfähig gegenüber dem Wirkstoff verhält. Hierzu wird vorwiegend auf visuelle Eindrücke zurückgegriffen, die naturgemäß eine ausschließlich qualitative und sehr stark subjektive Bewertungsgrundlage bieten. Außerdem werden bei dieser Art der Bewertung fast nur ausschließlich optische Eindrücke der Pflanzen beobachtet und ins Bewertungskalkül übernommen. Des weiteren führen Bonituren durch „in Augenscheinnahme” nur dann zum Ergebnis, wenn die Pflanze in der Regel bereits den Einflüssen positiv oder negativ erlegen ist.In assessing the effects of certain agrochemical active ingredients or fertilizers, for example herbicides or insecticides and various artificial fertilizer preparations, it is necessary to assess the so-called vitality of the plants under the effect of the substances mentioned. This assessment criterion is currently not clearly defined and so far results from a subjective rating by farmers, gardeners, foresters or other experts who can estimate on the basis of many years of experience, whether a respective tested plant on the treatment with the appropriate drug "good", "Less good" or "detrimental" responds or behaves sufficiently resistant to the drug. For this purpose, the focus is primarily on visual impressions, which naturally provide an exclusively qualitative and very highly subjective evaluation basis. Moreover, in this type of evaluation almost exclusively optical impressions of the plants are observed and taken over into the evaluation calculation. Furthermore, assessments by "eye-sighting" only lead to the result if the plant is usually already succumbing to the influences positively or negatively.
Als Kriterium der Wirkung gilt z. B. der Ertrag, aber eine Frühindikation ist nicht möglich; ein anderes Kriterium sind bereits vorhandene Krankheitssymptome, aber eine Früherkennung ist auch hier nicht möglich. Es versteht sich, dass ein derartiges Vorgehen hinsichtlich der Exaktheit und Objektivierbarkeit äußerst unbefriedigend ist und nur Resultate liefern kann, die mit Vorsicht zu vergleichen und zu verallgemeinern sind. Die Beurteilungen (Bonituren) führen zur Kennzeichnung „Pflanzenvitalität”. Vitalitätsbonituren (z. B. Anzahl und Qualität der Blätter und des Wuchses im Vergleich zum Normzustand) sind letztendlich qualitative Aussagen der Energiebereitstellung in den Pflanzenzellen und deren Nutzung für den Aufbau von Reservestoffen, Biomasse und Resistenzausprägung. Insofern ist es mehr als natürlich, dass für quantitative Aussagen zur Pflanzenvitalität der Nachweis der Reaktionsprodukte zu favorisieren ist, die ein direktes Kennzeichen für die Energiebereitstellung in den Pflanzenzellen sind. Im o. g. Vergleich CO2 und O2 fällt deshalb die Wahl deutlich zu Gunsten von O2 aus, da dieses Produkt bei der Freisetzung von Protonen entsteht, die die Energiespeicherung besorgen. Deshalb sind Methoden gesucht, die die Energiebereitstellung messen (Produktion und Verbrauch).As a criterion of effect z. B. the yield, but a premature indication is not possible; another criterion is already present disease symptoms, but early detection is not possible here. It is understood that such an approach in terms of accuracy and objectivity is extremely unsatisfactory and can only provide results that are to be compared and generalized with caution. The assessments (scores) lead to the labeling "plant vitality". Vitality ratings (eg number and quality of leaves and growth in comparison to the norm state) are ultimately qualitative statements of the energy supply in the plant cells and their use for the development of reserve resources, biomass and resistance. In this respect, it is more than natural for quantitative statements on plant vitality to favor the detection of the reaction products, which are a direct indicator of the energy supply in the plant cells. In the above comparison of CO 2 and O 2 , therefore, the choice turns out clearly in favor of O 2 , since this product is formed in the release of protons that provide the energy storage. Therefore methods are sought, which measure the energy supply (production and consumption).
Zur Messung der Photosyntheseaktivität von Pflanzen als Kennzeichen der Vitalität sind aus dem Stand der Technik eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt. So wird beispielsweise in der
Aus der
Gemäß dem Verfahren zur Erfassung und Auswertung von lichtinduzierten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz nach
Bei dem Verfahren zur Charakterisierung des Photosynthesesystems von Pflanzen nach
Es besteht somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein quantitatives Verfahren zur Bestimmung der Vitalität von Pflanzen oder Pflanzenteilen anzugeben, das unter genau definierten Bedingungen eine objektive Bewertung der Pflanzenvitalität gewährleistet.It is therefore the object underlying the invention to provide a quantitative method for determining the vitality of plants or parts of plants, which ensures an objective assessment of plant vitality under well-defined conditions.
Die Lösung erfolgt mit einem Verfahren zur Bewertung der Vitalität chlorophylltragender biologischer Proben nach den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei der Anspruch 2 eine zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens beschreibt.The solution is carried out with a method for assessing the vitality of chlorophyll-carrying biological samples according to the features of
Es erfolgt bei diesen Verfahren eine Zeitverlaufsmessung einer Sauerstoffkonzentration in einer unmittelbaren räumlichen Umgebung der biologischen Probe bei wechselnder Beleuchtung in Verbindung mit der Messung einer Reaktionszeit zwischen dem Zeitpunkt eines Beleuchtungswechsels und dem Zeitpunkt des Durchlaufens eines Extremwertes in der zeitabhängigen Sauerstoffkonzentration.In these methods, a time course measurement of an oxygen concentration in an immediate spatial environment of the biological sample with changing illumination in conjunction with the measurement of a reaction time between the time of a change of illumination and the time of passing through an extreme value in the time-dependent oxygen concentration.
Das Verfahren baut auf der experimentell bestätigten Erkenntnis auf, dass sich die Vitalität von Pflanzen ganz besonders an Hand ihres Adaptationsverhaltens der Photosyntheseleistung zeigt. Zweckmäßiger Weise wird hier zu einer Systembeschreibung durch reaktionskinetische Kennwerte übergegangen, wodurch Systemeigenschaften wie Elastizität bei der Reaktion der Pflanze, potenzielle Überlastbarkeit (Stress), aktueller Systemstatus der Pflanze u. a. m. ermittelt werden. In diesem Zusammenhang sei erneut auf den oben angeführten Zusammenhang von CO2- bzw. O2-Nachweis hingewiesen. Vergleiche des Verhaltens von CO2 und O2 weisen aus, dass die Löslichkeit von CO2 23 mal so groß ist wie die von O2, woraus sich im Fall von CO2 eine Art Puffer ergibt, der zu einer verzögerten Dynamik bei Lichtwechsel führen kann. Und da CO2 ein höheres Molekulargewicht besitzt, diffundiert CO2 bei gleichem Konzentrationsgradienten etwa 20 mal besser als O2. Diese Eigenschaften sprechen deutlich für einen Nachweis von O2 gegenüber CO2 beim Vergleich reaktionskinetischer Kennwerte. In der dem Verfahren zugrundeliegenden Situation wird die Photosyntheseleistung in Form der Sauerstoffkonzentration sowohl unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen, als auch bei einem abrupten, in der natürlichen Umgebung nur selten stattfindenden Beleuchtungswechsel untersucht und in Form objektivierbarer Parameter festgehalten, die unabhängig von der rein visuellen Beurteilung des Pflanzenzustandes sind.The method is based on the experimentally confirmed finding that the vitality of plants is particularly evident in their adaptive behavior of photosynthesis performance. Appropriately, a system description is hereby transferred to reaction kinetic parameters, whereby system properties such as elasticity in the reaction of the plant, potential overloadability (stress), current system status of the plant, etc. are determined. In this connection, reference should again be made to the above-mentioned context of CO 2 or O 2 detection. Comparisons of the behavior of CO 2 and O 2 show that the solubility of CO 2 is 23 times greater than that of O 2 , resulting in a kind of buffer in the case of CO 2 , which can lead to delayed light-change dynamics , And since CO 2 has a higher molecular weight, CO 2 diffuses about 20 times better than O 2 at the same concentration gradient. These properties clearly indicate a detection of O 2 over CO 2 when comparing reaction kinetic parameters. In the situation underlying the method, the photosynthetic performance in the form of oxygen concentration under both different lighting conditions, as well as an abrupt, rarely occurring in the natural environment lighting changes studied and recorded in the form of objectivable parameters that are independent of the purely visual assessment of the state of the plant ,
Es erfolgt die Zeitverlaufsmessung der Sauerstoffkonzentration in einer unmittelbaren räumlichen Umgebung der biologischen Probe bei wechselnder Beleuchtung mit folgenden Verfahrensschritten. In einem ersten Schritt wird eine Messung einer zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration während einer Dunkelzeit bei einer abgeschalteten Beleuchtung ausgeführt. Sodann wird eine Verzögerungszeit zwischen einem Einschaltzeitpunkt der Beleuchtung und einem Zeitpunkt eines auf den Einschaltzeitpunkt folgenden Extremwertes im Zeitverlauf der Sauerstoffkonzentration gemessen. Im Anschluss daran erfolgt eine Messung einer zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration während einer Hellzeit bei eingeschalteter Beleuchtung. Der sich danach bei eingeschalteter Beleuchtung einstellende Sättigungswert wird ebenfalls bestimmt. Schließlich werden in einer datenverarbeitenden Auswertung die gemessenen Veränderungen der Sauerstoffkonzentrationen analysiert.The time course measurement of the oxygen concentration in an immediate spatial environment of the biological sample with changing illumination takes place with the following method steps. In a first step, a measurement of a temporal change in the oxygen concentration during a dark time is performed when the lighting is switched off. Then, a delay time between a switch-on time of the illumination and a time of an extreme value following the switch-on time is measured over the course of time of the oxygen concentration. This is followed by a measurement of a change over time in the oxygen concentration during a bright time with the lighting switched on. The saturation value which then occurs when the lighting is switched on is also determined. Finally, the measured changes in the oxygen concentrations are analyzed in a data-processing evaluation.
Eine derartige Vorgehensweise lässt sich in einer sehr einfachen Weise in ein Messprogramm zur automatisierten Vitalitätsbeurteilung übertragen und realisieren, wobei die dabei zu ermittelnden Messgrößen eindeutig definiert sind.Such a procedure can be transferred and implemented in a very simple manner into a measurement program for the automated assessment of vitality, wherein the measured variables to be determined are clearly defined.
Erfindungsgemäß wird aus der zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration während der Dunkelzeit ein diese zeitliche Veränderung beschreibender Respirationsparameter ermittelt. Weiterhin wird aus der zeitlichen Veränderung der Sauerstoffkonzentration während der Hellzeit ein diese zeitliche Veränderung beschreibender Slope-Parameter bestimmt.According to the invention, a temporal change of the oxygen concentration during the dark time is used to determine a respiration parameter describing this temporal change. Furthermore, a temporal change of the oxygen concentration during the clearing time is used to determine a slope parameter describing this temporal change.
Beide Parameter beschreiben die Art und Weise der Konzentrationsveränderung des molekularen Sauerstoffs in der Umgebung der Probe während der betreffenden Zeitabschnitte in einer eindeutig definierten Weise.Both parameters describe the manner of changing the concentration of molecular oxygen in the environment of the sample during the respective periods in a clearly defined manner.
Aus dem Verhältnis des Slope-Parameters und des Respirations-Parameters wird ein Photosynthetischer Aktivitätskoeffizient bestimmt. Dieser Koeffizient beschreibt das Verhältnis der Photosyntheseleistung während der Hellzeit zum Respirationsvorgang der Pflanzenprobe während der Dunkelzeit und gibt damit einen Aufschluss über das Verhältnis beider Aktivitätszustände der Pflanze im Hellen wie im Dunkeln.From the ratio of the slope parameter and the respiration parameter, a photosynthetic activity coefficient is determined. This coefficient describes the ratio of the photosynthesis performance during the light-time to the respiration process of the plant sample during the dark period and thus provides an indication of the relationship between the two states of activity of the plant in the light and in the dark.
Der Respirationsparameter und/oder der Slope-Parameter werden in einfacher Weise durch das Anpassen einer linearen Funktion an die gemessenen zeitlich veränderlichen Sauerstoffkonzentrationswerte während der Dunkel- bzw. der Hellzeit ermittelt. Lineare Anpassungen können durch das mathematische Verfahren der linearen Regression in besonders einfacher Weise programmiert und automatisiert werden.The respiration parameter and / or the slope parameter are readily determined by fitting a linear function to the measured time-varying oxygen concentration values during the dark and light periods, respectively. Linear adjustments can be programmed and automated in a particularly simple way by the mathematical method of linear regression.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den
Es zeigt:It shows:
Die Messzelle
Die Lichtquelle
Den genannten Bestandteilen ist eine Reihe von Ansteuerungs- bzw. Auswerteeinheiten zugeordnet. Ein Zeitgeber
Die Komponenten
Die Messzelle
Die Messkurve stellt den Zeitverlauf der am elektrochemischen Sensor gemessenen Sauerstoffkonzentration dar. Dabei bezeichnet der durch den Parameter „R” gekennzeichnete Teil der Messkurve einen zeitlichen Abschnitt, in welchem die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Probe auf Grund der im Dunkeln stattfindenden Atmung des pflanzlichen Materials abnimmt. Dieser Teil der Messkurve wird als Respirationsphase bezeichnet. Er gibt eine erste Information über die Vitalität der Probe bzw. der Pflanze, der die Probe entnommen wurde.The measurement curve represents the time course of the oxygen concentration measured at the electrochemical sensor. In this case, the part of the measurement curve marked by the parameter "R" designates a time segment in which the oxygen concentration in the surroundings of the sample decreases due to the breathing of the plant material occurring in the dark , This part of the trace is called the respiratory phase. It provides initial information about the vitality of the sample or plant from which the sample was taken.
Der Parameter „R” wird üblicherweise in den Einheiten mg/l·s bzw. in mbar/s, d. h. entweder in Einheiten der Konzentrationsänderung je Zeiteinheit oder einer Partialdruckänderung je Zeiteinheit angegeben. Er beschreibt den linearen Abfall der zeitabhängigen Sauerstoffkonzentration durch Atmungs- bzw. Respirationsvorgänge der Pflanzenprobe während einer abgeschalteten Lichtquelle
Zu einem Zeitpunkt ton, der vom Bedienungspersonal frei gewählt werden kann und somit durch die Versuchsplanung bekannt ist oder vom Messwerterfassungssystem bei Erreichen eines im Voraus zu wählenden Versuchsparameters bestimmt wird, wird die Lichtquelle
Nach der Adaptation des pflanzlichen Probenmaterials steigt die Sauerstoffkonzentration bei der nunmehr eingeschalteten Lichtquelle
Die hier aufgeführten Dimensionen für „R” und „S” sind geräteabhängig. Für „R” und „S” können gegebenenfalls die Dimension mmol/m2·s bzw. davon abgeleitete Dimensionen, wie z. B. μmol/m2·s, verwendet werden. Diese sind im allgemeinen geräteunspezifisch, da in die Umrechnung Geräteparameter, beispielsweise das Volumen innerhalb der Messzelle, eingehen, sie können deshalb sehr vorteilhaft für einen Vergleich der Werte mit anderen Parametern sein, die mit anderen Geräten und/oder mit anderen Verfahren gemessen werden.The dimensions listed here for "R" and "S" are device-dependent. For "R" and "S" optionally the dimension mmol / m 2 · s or derived therefrom dimensions such. B. μmol / m 2 · s, can be used. These are generally device-unspecific, since the conversion takes into account device parameters, for example the volume within the measuring cell, and can therefore be very advantageous for comparing the values with other parameters measured with other devices and / or with other methods.
Im weiteren Verlauf geht die Messkurve in einen Sättigungsbereich der Sauerstoffkonzentration über und weist einen im wesentlichen zeitlich konstanten Sättigungswert auf. Dieser ergibt sich aus einem Gleichgewicht zwischen Sauerstoffproduktion und Sauerstoffaufnahme durch die Pflanzenprobe sowie Schwund und einer sich daraufhin einstellenden, nahezu unveränderlichen Sauerstoffkonzentration in der Nähe des Sensorkopfes. Der Sättigungswert liefert einen Parameter „M”. Dieser beschreibt das in der Hellzeit zeitlich konstante Maximum der Messkurve und wird in mg/l bzw. in mbar angegeben.In the further course of the curve goes into a saturation region of the oxygen concentration and has a substantially constant temporal saturation value. This results from a balance between oxygen production and oxygen uptake by the plant sample as well as shrinkage and a resulting, almost constant oxygen concentration in the vicinity of the sensor head. The saturation value provides a parameter "M". It describes the maximum time of the trace that is constant in the bright time and is given in mg / l or mbar.
Aus einer Verknüpfung von „R” und „S” lässt sich der Koeffizient der photosynthetischen Aktivität durch einen Quotienten KphA = –S/R bilden. Es zeigt sich, dass dieser Koeffizient in bestimmten Fällen deutlicher noch als „R” und „S” allein die Vitalität/Photosynthetische Aktivität der untersuchten Probe beschreibt.From a combination of "R" and "S", the coefficient of photosynthetic activity can be formed by a quotient K phA = -S / R. It turns out that in certain cases this coefficient still more clearly describes the vitality / photosynthetic activity of the examined sample as "R" and "S".
Die genannten Parameter „R”, „S”, „D” und „M” bzw. der Koeffizient der photosynthetischen Aktivität „KphA” stehen als objektiv bestimmbare Indikatoren für die Beschreibung qualitativer und/oder quantitativer Zustände bzw. prognostische Aussagen über die weitere vegetative und/oder generative Entwicklung der untersuchten Pflanze zur Verfügung. Beispielsweise können damit Entwicklungen der Grünmasse und der Wurzelmasse oder reproduktive bzw. generative Entwicklungsprozesse wie etwa die Herausbildung von Fruchtansätzen des Chlorophyll tragenden Systems beurteilt und eingeschätzt werden, die allein aus subjektiven visuellen Bonituren gar nicht zu erkennen oder nur durch unvergleichbaren höheren messtechnischen Aufwand zu ermitteln sind. Dies betrifft beispielsweise die optimale Bestimmung des Erntezeitpunktes bestimmter Marktfrüchte, bei denen bisher nach der Methode der langjährigen Erfahrung mit der bereits erwähnten überproportionalen Dominanz des subjektiven Faktors verfahren wird. Im Folgenden werden hierzu einige Ausführungsbeispiele angegeben.The aforementioned parameters "R", "S", "D" and "M" or the coefficient of the photosynthetic activity "K phA " are objectively determinable indicators for the description of qualitative and / or quantitative states or prognostic statements about the others vegetative and / or generative development of the examined plant. For example, developments in green matter and root mass or reproductive or generative development processes, such as the development of fruiting processes of the chlorophyll-bearing system, can be assessed and assessed solely on the basis of subjective factors visual assessments are not recognizable or can only be determined by incomparably higher metrological effort. This concerns, for example, the optimal determination of the harvest time of certain market crops, in which the method of many years of experience already deals with the above-mentioned disproportionate dominance of the subjective factor. In the following some embodiments are given for this purpose.
Ausführungsbeispiel I: Interaktion von Winterweizen und BodenpilzenEmbodiment I: Interaction of winter wheat and soil fungi
In den letzten Jahren sind umfangreiche Forschungsarbeiten über die Wechselwirkung von pathogenen und Bodenpilzen insbesondere bei landwirtschaftlichen Kulturen wie Körner- und Ölfrüchte, aber auch bei Beerenobst durchgeführt worden. Dabei steht eine Verminderung der chemischen Schädlingsbekämpfung und deren Ersatz durch eine biologische Variante als Forschungsziel im Vordergrund. Dies ist insbesondere dadurch notwendig, seitdem im Falle eines Befalls mit Verticillium eine chemische Bodenentseuchung durch neue gesetzliche Bestimmungen verboten ist.In recent years, extensive research has been carried out on the interaction of pathogenic and soil fungi especially in agricultural crops such as grain and oil crops, but also in soft fruit. Here, a reduction of chemical pest control and its replacement by a biological variant as a research goal in the foreground. This is particularly necessary, since in the case of an infestation with Verticillium a chemical soil disinfection is prohibited by new legal provisions.
Von besonderer Bedeutung im Weizenanbau ist die häufig auftretende Krankheit ”Partielle Taubährigkeit”, die hauptsächlich durch Fusarium graminearum verursacht wird und zu hohen Qualitäts- und Ernteverlusten sowie zur Mykotoxinbelastung der Ernteprodukte führt. Diese Verluste können durch den Befall mit Alternaria alternata, einem ebenfalls potentiellen Mykotoxinbildner, noch erhöht werden.Of particular importance in wheat production is the common "Partial Taubährigkeit" disease, which is mainly caused by Fusarium graminearum and leads to high quality and harvest losses and mycotoxin contamination of the harvested products. These losses can be further increased by the infestation with Alternaria alternata, which is also a potential mycotoxin producer.
Alternative Methoden zur chemischen Bekämpfung dieser Pathogene werden benötigt. Die arbuskuläre Mykorrhiza (AM) spielt dabei eine besondere Rolle. Die Mykorrhiza, die Vergesellschaftung von Wurzeln höherer Pflanzen mit Pilzen, ist eine symbiontische Beziehung, die den Pflanzen eine höchst effektive Absorption von Mineralstoffen (Phosphat, gebundener Stickstoff) aus dem Boden ermöglicht und dem Pilz Zugang zu Assimilationsprodukten der Pflanze bietet.Alternative methods of chemical control of these pathogens are needed. The arbuscular mycorrhiza (AM) plays a special role. Mycorrhiza, the association of higher plant roots with fungi, is a symbiotic relationship that allows plants to absorb minerals (phosphate, bound nitrogen) from the soil in the most effective way and provides the fungus access to plant assimilation products.
In mehreren Versuchen wurden nun der Einfluss und die Wechselwirkung dieser Pilze auf die Entwicklung von Winterweizen untersucht. Dabei wurden sowohl traditionelle pflanzenphysiologische als auch mikrobiologische und biochemische Untersuchungen durchgeführt und diese mit den Ergebnissen der Untersuchungen der Pflanzenvitalität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen. Als besonders bedeutend wurde der erwähnte Parameter „S” gewertet. Es wurden folgende Varianten analysiert:
- 1. Winterweizen (WW) als Kontrollvariante;
- 2. WW + Glomus intraradices (WW + Gl);
- 1. Winter wheat (WW) as a control variant;
- 2. WW + Glomus intraradices (WW + Gl);
Nach etwa vier Wochen wurden beide Varianten mit den pathogenen Pilzen in folgenden Varianten inokoliert:
- 3. WW + Fusarium graminearum (WW + Fus);
- 4. WW + Alternaria alternata (WW + Alt);
- 5. WW + Glomus intrarad. + Fusarium gramin. (WW + Gl + Fus)
- 6. WW + Glomus intrarad. + Alternaria altern. (WW + Gl + Alt);
- 7. WW + Fusarium gramin. + Alternaria altern. (WW + Fus + Alt);
- 8. WW + Glomus intrarad. + Fusarium gramin. + Altern. altern. (WW + Gl + Fus + Alt).
- 3. WW + Fusarium graminearum (WW + Fus);
- 4. WW + Alternaria alternata (WW + Old);
- 5. WW + Glomus intrarad. + Fusarium gramin. (WW + Gl + Fus)
- 6. WW + Glomus intrarad. + Alternaria aging. (WW + GI + ALT);
- 7. WW + Fusarium gramin. + Alternaria aging. (WW + Fus + Alt);
- 8. WW + Glomus intrarad. + Fusarium gramin. + Aging. aging. (WW + Gl + Fus + Alt).
Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist in
Das Ergebnis der Korrelationsanalyse einzelner Messreihen an Weizenblättern zeigt
Das Diagramm aus
Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit pflanzenphysiologischen und mikrobiologischen Messungen verglichen. Es wurden hierzu folgende Parameter gemessen:
Die Grünmasse (Spross FM) und die Trockenmasse der Sprosse (Spross TM), die Frischmasse der Wurzeln (Wurzel FM) und deren Trockenmasse (Wurzel TM) sowie der Grad der Mykorrhizierung der Wurzeln für die einzelnen Varianten in Abhängigkeit von deren Ontogenese. Die Einzelwerte sind hier nicht aufgeführt, es werden lediglich die Ergebnisse der Korrelation der Parameter der statistischen Auswertung mit denen der photosynthetischen Aktivität zum jeweiligen Zeitpunkt dargestellt und in Beziehung gesetzt. Die Resultate der Korrelationsanalyse sind in Tabelle 2 für die drei verschiedene Messreihen dargestellt, bei denen in
The green matter (scion FM) and the dry mass of the shoot (shoot TM), the fresh mass of the roots (root FM) and their dry matter (root TM) and the degree of mycorrhization of the roots for each variant depending on their ontogenesis. The individual values are not listed here, only the results of the correlation of the parameters of the statistical evaluation with those of the photosynthetic activity at the respective time are shown and put into relation. The results of the Correlation analysis is presented in Table 2 for the three different series of measurements in which
Tabelle 3 zeigt versuchsbedingte Korrelationen: 100 Stück aus 1 g FM Wurzel, unabhängig von der Wurzelmasse: Tabelle 3. Korrelationen. Markierte Korr. signifikant für p < 0.05 N = 127 (Fallweiser Ausschluss von MD)
Tabelle 4 stellt die Korrelationen zwischen photosynthetischer Aktivität und der Mykorrhizierung verglichen mit der Korrelation zur Gesamtmenge der Mykorrhizen dar: Tabelle 4 Korrelationen. Markierte Korr. signifikant für p < ,05000 N = 127 (Fallweiser Ausschluss von MD)
Ergebnis der Auswertung:Result of the evaluation:
- 1. Es gibt keine signifikanten Zusammenhänge zwischen den Ernteparametern und der photosynthetischen Aktivität der Weizenblätter in den einzelnen Inokulationsvarianten.1. There are no significant correlations between the harvest parameters and the photosynthetic activity of the wheat leaves in the individual inoculation variants.
- 2. Es gibt dem gegenüber eine signifikante Korrelation zwischen der photosynthetischen Aktivität der Weizenblätter in den einzelnen Inokulationsvarianten und der Mykorrhizierung.2. There is a significant correlation between the photosynthetic activity of the wheat leaves in the individual inoculation variants and the mycorrhization.
- 3. Die Korrelation ist bei der Betrachtung der Mykorrhizierung größer als bei der gleichen auf die Gesamtwurzelmasse bezogenen Betrachtung, 3. The correlation is greater in considering mycorrhization than in the same total root mass consideration,
- 4. Der Vitalitätsparameter beschreibt im vorliegenden Falle eine qualitative Beziehung zur untersuchten Pflanze, die Mykorrhizierung.4. The vitality parameter in the present case describes a qualitative relationship to the examined plant, the mycorrhization.
Mit dieser Erkenntnis werden nunmehr die Korrelationen der einzelnen Varianten und die darin enthaltenen mikrobiologischen Wechselbeziehungen betrachtet. Dabei lassen sich für die zweite Versuchswoche folgende Grundaussagen treffen:
- 1. Durch Inokulation mit Glomus wird die Sauerstoffproduktion der Pflanze erhöht.
- 2. Durch den Einfluss von Fusarium nimmt die Vitalität stark ab, während gemeinsam mit Glomus das Kontrollniveau wieder erreicht wird.
- 3. Alternaria hat gegenüber der Kontrollvariante keinen wesentlichen Einfluss, gemeinsam mit Glomus wird ein stabilisiertes Kontrollniveau erreicht.
- 4. Folgende Antagonismen sind zu erkennen: Gl gegen Fus; Gl gegen Alt, Alternaria steht in Konkurrenz zu Fusarium (kein additiver Effekt!); Gl + Fus + Alt erreicht etwa das Kontrollniveau.
- 1. Inoculation with Glomus increases the oxygen production of the plant.
- 2. Due to the influence of Fusarium, the vitality decreases strongly, while together with Glomus the control level is reached again.
- 3. Alternaria has no significant influence on the control variant; together with Glomus a stabilized control level is achieved.
- 4. The following antagonisms can be recognized: Gl against Fus; Gl vs Alt, Alternaria competes with Fusarium (no additive effect!); Gl + Fus + Alt reaches about the level of control.
Abschließend soll auf die Dynamik der Wechselbeziehungen mit den in Tabelle 4 dargestellten Resultaten der Korrelationsanalyse verwiesen werden. Diese ist in den Diagrammen in
- 1. Es zeigt sich eine parallele Dynamik der Kontrollvariante WW mit den Varianten WW + Glomus und WW + Alternaria.
- 2. Andererseits liegt eine geänderte Dynamik bei der Kombination WW + Glomus + Alternaria vor.
- 3. Die Anfangswirkung von Alternaria ist sehr hoch.
- 4. Die Wirkung von Glomus setzt etwa
ab dem 8. Tag ein und erstreckt sich etwabis zum 30. Tag. - 5.
Ab dem 30. Tag ist keine Wirkung mehr zu verzeichnen.
- 1. It shows a parallel dynamics of the control variant WW with the variants WW + Glomus and WW + Alternaria.
- 2. On the other hand, there is a changed dynamic in the combination WW + Glomus + Alternaria.
- 3. The initial effect of Alternaria is very high.
- 4. The effect of Glomus begins around the 8th day and extends until about the 30th day.
- 5. From the 30th day is no longer noticeable.
Ausführungsbeispiel II: Algenwachstum und HuminstoffeExemplary embodiment II: growth of algae and humic substances
Untersuchung der Einwirkung von Huminstoffen (HS) auf das Wachstum von grünen Algen des Typs Monoraphidium convolutumInvestigation of the effect of humic substances (HS) on the growth of green algae of the type Monoraphidium convolutum
Mit der weltweit zunehmenden mineralischen Düngung im Pflanzenbau ist überall ein zunehmender Eintrag von Nährstoffen in die Oberflächengewässer zu verzeichnen. Das wiederum hat einen nachhaltigen Einfluss auf das Wachstum von Algen und höheren Pflanzen in diesem Ökobereich, welches bei Erreichen einer bestimmten Grenze starke negative Auswirkungen auf dieses Ökosystem hat. Es ist deshalb von Bedeutung zu wissen, ob und inwieweit diesem Wachstum auch mit biologischen Mitteln – an Stelle von chemischen Wachstumshemmern – Einhalt geboten werden kann. Diese Untersuchungen führen für jedes individuelle Ökosystem zu ganz spezifischen Schlussfolgerungen im quantitativen Bereich und müssen deshalb für jedes einzelne System gesondert durchgeführt werden.With the increasing use of mineral fertilizers in crop production worldwide, there is an increasing input of nutrients into surface waters everywhere. This, in turn, has a lasting impact on the growth of algae and higher plants in this eco-area, which, when reached a certain limit, has a strong negative impact on this ecosystem. It is therefore important to know whether and to what extent this growth can be stopped by biological means, instead of chemical growth inhibitors. These investigations lead to very specific quantitative conclusions for each individual ecosystem and therefore have to be carried out separately for each individual system.
Es wird ein Beispiel unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, in dem über den Vitalitätsparameter „S”, gemessen mit dem PlantVital®5000, geklärt werden kann, ob und in welcher Größenordnung im Falle von konkreten Algen Huminstoffe als zusätzlicher Nährstoff dienen oder hemmend auf das Algenwachstum wirken. Die Untersuchungen wurden durchgeführt, indem zwischen dem gemessenen Vitalitätsparameter „S” der photosynthetischen Aktivität der Algen und den unter der Einwirkung der Huminstoffe unterschiedlicher Konzentration in den Algen produzierten oxydativen Produkten eine Korrelation hergestellt wurde. In
Mit biochemischen Methoden (Bestimmung von Stress-Enzymen, wie Catalase (CAT), Superoxid-Dismutase (SOD), Peroxidase (POD), Glutathion-S-Transferase (GST) und Wasserstoffperoxid (H2O2)) wurde nunmehr versucht, das gleiche Ergebnis zu erreichen, um die primären Ursachen für das Absinken der photosynthetischen Aktivität zu ermitteln. Letztere Methoden haben in vielen Versuchen eine gute Korrelation zu den Versuchen mit den Huminstoffen ergeben. Es ist bekannt, dass die biologischen Untersuchungen sehr zeit- und materialaufwändig sind und die Verfügbarkeit mehrerer teuerer Geräte erforderlich ist. Des weiteren wird eine große Erfahrung des die Untersuchungen durchführenden Wissenschaftlers vorausgesetzt, um gute Ergebnisse zu erreichen.Using biochemical methods (determination of stress enzymes, such as catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), glutathione-S-transferase (GST) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 )) has now been tried, the to achieve the same result in order to determine the primary causes for the decrease in photosynthetic activity. The latter methods have shown in many experiments a good correlation to the experiments with humic substances. It is known that the biological investigations are very time and material consuming and the availability of several expensive equipment is required. Furthermore, a great deal of experience of the investigating scientist is required to achieve good results.
Das Ergebnis der vergleichenden Untersuchungen ist in
Der Korrelationskoeffizient r2 = 0,90 hat einen durchaus zufriedenstellenden Wert. r2 = 1 wäre der Idealwert. The correlation coefficient r 2 = 0.90 has a quite satisfactory value. r 2 = 1 would be the ideal value.
Das Beispiel zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr einfach und zweckmäßig Routine-Messungen ausgeführt werden können, wozu man anderenfalls ein Vielfaches an Zeit und einen enormen experimentellen Aufwand benötigt. Es zeigt weiterhin, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vitalitätsparameter „S”, ermittelt als objektive Größe aus der photosynthetischen Aktivität der untersuchten Spezies, ein das System objektiv und quantitativ beschreibender Parameter ist.The example shows that routine measurements can be carried out very simply and expediently with the method according to the invention, which otherwise requires a multiple of time and enormous experimental effort. It also shows that, with the method according to the invention, the vitality parameter "S", determined as the objective variable from the photosynthetic activity of the examined species, is a parameter which describes the system objectively and quantitatively.
Ausführungsbeispiel III: Vitalität von StraßenbäumenEmbodiment III: Vitality of road trees
Untersuchung des Standorteinflusses auf die Vitalität von Straßenbäumen in Berlin-Charlottenburg und in Strausberg (Grüne Stadt am See) am gleichen TageExamination of the location influence on the vitality of street trees in Berlin-Charlottenburg and in Strausberg (Green City on the lake) on the same day
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden drei Sorten von Straßenbäumen, Kastanien, Eichen und Linden, an jeweils gleichen Tagen sowohl in einer verkehrsreichen Gegend in Berlin-Charlottenburg als auch in einer weniger verkehrsbelasteten Straße in Strausberg (Grüne Stadt am See) bei Berlin untersucht. Es wurde dabei darauf geachtet, dass die Bäume etwa das gleiche Alter hatten und die Proben von etwa der gleichen Höhe und der gleichen Himmelsrichtung entnommen wurden. Auch sonst waren die Lichtverhältnisse bei den jeweils verglichenen Proben vergleichbar.With the method according to the invention, three varieties of road trees, chestnuts, oaks and limes were examined on the same days both in a busy area in Berlin-Charlottenburg and in a less traffic-strained street in Strausberg (Green City on the lake) in Berlin. It was taken care that the trees were about the same age and the samples were taken from about the same height and the same direction. Even otherwise, the lighting conditions were comparable for the samples compared.
Von allen Proben wurden jeweils 5 Exemplare vermessen, aus denen dann jeweils Mittelwerte gebildet wurden.From each
Als Messwerte wurden der Parameter der Respiration „R” und der Parameter der Assimilation „S” ermittelt (entsprechend den Angaben in
Die auf diese Weise entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Mittelwerte sind in der angeführten Tabelle 5 enthalten. In der Tabelle sind weiterhin die Koeffizienten der photosynthetischen Aktivität KphA = –S/R dargestellt. Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass in einschlägigen Fällen dieser erfindungsgemäße Koeffizient ein brauchbarer, die Vitalitätsverhältnisse noch deutlicher ausdrückender quantitativer Wert zur Beschreibung des Zustandes der Chlorophyll tragenden Untersuchungsobjekte ist. Tabelle 5: Vitalitätsparameter in μmol/m2·s von Straßenbäumen in Strausberg (SRB) und in Berlin (B) sowie deren Quotienten. In der Tabelle sind lediglich die Maßzahlen angegeben
Die Zahlenwerte weisen deutlich aus, dass der Koeffizient der photosynthetischen Aktivität KphA = –S/R vorhandene Unterschiede bei vergleichbaren Objekten deutlicher darstellen kann als die primären Vitalitätsparameter „S” und „R”.The numerical values clearly show that the coefficient of the photosynthetic activity K phA = -S / R can represent existing differences in comparable objects more clearly than the primary vitality parameters "S" and "R".
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- abgeschirmter Messplatzshielded measuring station
- 1515
- biologische Probebiological sample
- 2020
- Messzellecell
- 2525
- elektrochemischer Sensorelectrochemical sensor
- 3030
- Lichtquellelight source
- 3535
- Zeitgebertimer
- 3636
- Ansteuerungselektronikcontrol electronics
- 4040
- MesswerterfassungseinheitData acquisition unit
- 4545
- Protokolleinheitprotocol unit
- 5050
- Messreihemeasurement series
- 6060
- thermischer Regelkreisthermal control circuit
- 6565
- PeltierelementPeltier element
- 6666
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 6767
- Steuerelektronikcontrol electronics
- cc
- Sauerstoffkonzentrationoxygen concentration
- DD
- zeitlicher Verzögerungsparametertime delay parameter
- MM
- maximaler Sättigungswertmaximum saturation value
- RR
- RespirationsparameterRespirationsparameter
- SS
- SlopeparameterSlope parameter
- ton t on
- Einschaltzeitpunktswitch-on
- tmin min
- Zeitpunkt des lokalen MinimumsTime of the local minimum
- KphA K phA
- = –S/R Koeffizient der photosynthetischen Aktivität= -S / R coefficient of photosynthetic activity
Claims (2)
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-
2006
- 2006-03-06 WO PCT/EP2006/002045 patent/WO2006094748A2/en not_active Application Discontinuation
- 2006-03-06 DE DE200611000480 patent/DE112006000480B4/en active Active
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE112006000480A5 (en) | 2008-02-14 |
WO2006094748A3 (en) | 2006-11-02 |
WO2006094748A2 (en) | 2006-09-14 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20130305 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |