Von sprechenden Bäumen zu sprechenden Wäldern: Bewertung der Prozesse von Pflanzen durch Überwachung des Gasdrucks im Splintholz von Angiospermen

• Antragsteller: Dr. Luciano Pereira
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508216003

Die Entwicklung smarter Sensoren und künstlicher Intelligenz eröffnet neue Wege im Bereich der Pflanzenökologie und -physiologie, um das Gesamtbild der biologischen Vielfalt und der Resilienz von Ökosystemen zu verstehen. Sprechende Bäume sind ein Beispiel dafür, wie technologische Anwendungen eingesetzt werden können, um Bäumenprozesse in vivo zu überwachen. Dies ermöglicht Vorhersagen über die Reaktionen einzelner Bäume auf die Bedingungen des anthropogenen globalen Wandels. Bisher mangelt es an kostengünstigen Sensoren, die verschiedene physiologische Merkmale über lange Zeiträume, in großem Maßstab und mit hoher zeitlicher Auflösung messen können. Derartige Sensoren helfen das Konzept des sprechenden Baums auf einen sprechenden Wald auszuweiten und helfen beide Ebenen, die individueller Bäume und vielfältiger Waldgemeinschaften zu untersuchen. Kürzlich haben wir gezeigt, dass die Menge des aus dem Xylem der Pflanzen extrahierten Gases stark mit dem Wasserpotenzial des Xylems und dem Gasaustausch der Blätter von Zitruspflanzen korreliert. Da der Gasdruck im sekundären Xylem von Pflanzen mit einem kostengünstigen Gerät mit hoher zeitlicher Auflösung leicht überwacht werden kann, konzentriert sich dieses Projekt auf grundlegende Zusammenhänge des Gasdrucks im Holz und die Entwicklung eines neuartigen Sensors. Vorläufige Daten zeigen, dass pneumatische Messungen empfindlich genug sind, um schnelle und dynamische Reaktionen der Pflanzen auf Veränderungen der Lichtintensität, Temperatur und Transpiration zu erkennen. Das Gesamtziel dieses Projekts besteht darin, zu untersuchen, wie der Gesamtgasdruck im Xylemgewebe von holzigen Angiospermen mit dem Pflanzenzustand zusammenhängt und ob dieser in der Praxis zur Modellierung der Resilienz von Wäldern verwendet werden kann. Dieses Ziel wird in drei sich ergänzenden Arbeitsschritten verfolgt: (1) Entwicklung und Test des neuen Sensors, (2) Untersuchung der Mechanismen, die dem Gesamtgasdruck im Splintholz zugrunde liegen, und (3) Bewertung der Pflanzenleistung auf der Grundlage von Gasdruckmessungen. Der neue Phytosensor, den wir IoTree ("Internet of Trees") nennen, wird auf einem Gerät basieren, das wir zuvor für die Extraktion von Gas aus Pflanzengeweben entwickelt haben, und beruht auf einer kostengünstigen Open-Source-Technologie (< 20 € pro Sensor). Die Gasdruckmessungen werden mit verschiedenen Pflanzenwachstumsmerkmalen und Umweltparametern in Gewächshaus- und Feldexperimenten korreliert. Anschließend werden wir Berechnungslösungen entwickeln, die an einen Big-Data-Ansatz angelehnt sind und künstliche Intelligenz nutzen, die es uns ermöglichen könnte, langfristige und zeitlich hoch aufgelöste Signale aus sprechenden Wäldern zu analysieren. Ein solcher Überwachungsansatz würde zur Vorhersage der Pflanzenproduktivität, der Sterblichkeit und der Resilienz gegenüber biotischen und abiotischen Stressfaktoren auf der Ebene der Waldgemeinschaft, wie Trockenheit oder Krankheitserreger, beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen