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Dr. agr. Kathrin Bürling

Promotion am 07. Juli 2011

Potential of fluorescence techniques with special reference to fluorescence lifetime determination for sensing and differentiating biotic and abiotic stresses in Triticum aestivum L.

[Dissertation online]

 

Zusammenfassung

Zielsetzung dieser Arbeit war es, mittels Fluoreszenz-Messtechniken am Beispiel von Weizenpflanzen die durch biotischen und abiotischen Stresss induzierten physiologischen Veränderungen zu ermitteln.

Die Versuche wurden unter Laborbedingungen auf Blattebene durchgeführt, wobei zum einen zwei ökonomisch bedeutende biotrophe, pilzliche Erreger des Weizenanbaus, Puccina triticina und Blumeria graminis, sowie zum anderen Stickstoffmangel als bedeutendster Vertreter des Nährstoffmanagements, für repräsentative Studien ausgewählt wurden.

Die Versuche unter Einsatz des PAM-Imaging Systems ergaben, dass die Quantenausbeute der nicht regulierten Energieabgabe in Photosystem II (Y(NO)) der vielversprechendste Parameter für das Screening von gegenüber Braunrost resistenten Weizenpflanzen ist. Die Messungen dokumentieren, dass der Pathogen-induzierte Anstieg von Y(NO) in der anfälligen Sorte stärker ausgeprägt war als in der resistenten Sorte. Der geeignetste Zeitpunkt für eine verlässliche Differenzierung war zwei Tage nach der Inokulation (dai). Vorangegangene Versuche mit Sporendichten von 20.000 Sporen/ml im Falle von Parametern der schnellen und von 100.000 Sporen/ml bei Parametern der langsamen Fluoreszenzkinetik haben gezeigt, dass die Änderungen in den Fluoreszenzsignalen nicht auf eine physikalische Maskierung zurückzuführen waren.

Die Erfassung der Fluoreszenzlebenszeit und UV-induzierten Spektren wurde für die Erkennung von Braunrost (P. triticina) bei drei resistenten im Vergleich zu vier anfälligen Sorten eingesetzt. Eine Kombination von spektralen und zeitlich aufgelösten Charakteristika lieferte prä-symptomatische Änderungen der Fluoreszenz, die auf Änderungen im Chlorophyllgehalt sowie sekundären Metaboliten hinwiesen. Die Erfassung des B/G-Amplituden-Verhältnisses scheint der geeignetste Parameter zur Früherkennung einer pilzlichen Infektion zu sein. Eine Unterscheidung zwischen gegenüber Braunrost-sensitiven und -resistenten Sorten erscheint mittels Erfassung des B/R Amplituden-Verhältnisses 3 dai möglich. Dabei sollte allerdings eine zusätzliche Aufnahme der mittleren Fluoreszenzlebenszeit bei 440, 500 und 530 nm Berücksichtigung finden; diese Parameter zeigten nämlich bei den resistenten Sorten ausgeprägtere Unterschiede zwischen Kontroll- und inokulierten Blättern.

UV-induzierte spektrale Signaturen sowie die Mittlere Fluoreszenzlebenszeit sind geeignete Ansätze zur Erfassung von Echtem Mehltau (B. graminis) bereits einen Tag nach Inokulation. Das erniedrigte B/G-Amplituden-Verhältnis sowie die erhöhten G/R- und G/FR-Halbwertsbreiten-Verhältnisse, in inokulierten im Vergleich zu Kontroll-Blättern, waren probate Parameter zur Erkennung des Pilzbefalls. Des Weiteren scheint die erhöhte Mittlere Fluoreszenzlebenszeit in inokulierten Blättern im Wellenlängenbereich von 500-620 nm eine Unterscheidung zwischen gesunden und erkrankten Blättern zu ermöglichen. Zusätzliche Versuche ließen eine erhöhte mittlere Lebenszeit der Grün-Fluoreszenz bereits zehn Stunden nach der ersten Wirt-Pathogen-Interaktion erkennen.

Die Fluoreszenzintensität, gemessen zwischen 370 und 800 nm, stellt einen geeigneten Parameter für eine Diskriminierung zwischen Stickstoffmangel und pilzlicher Erkrankung dar. Das Amplituden-Verhältnis R/FR repräsentiert eine gute Grundlage sowohl für die Früherkennung als auch für eine Differenzierung zwischen N-Vollversorgung, N-Mangel, N-Vollversorgung+Pathogen und N-Mangel+Pathogen. Weitere vielversprechende Ansätze für eine mögliche Diskriminierung zwischen den evaluierten multiplen Stressfaktoren lieferte die Blau-Grün-Fluoreszenz. Darüber hinaus wurden mehrere Amplituden- und Halbwertsbreiten-Verhältnisse für eine Früherkennung der Pathogeninfektion, unabhängig vom Stickstoffversorgungsgrad der Pflanze, als geeignet befunden.

 

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