Lange Trockenheit verursacht Pflanzen ebenso Stress wie zu viel Feuchtigkeit oder Lichtmangel. Stressgeplagte Äcker frühzeitig zu identifizieren, könnte somit helfen, Anbau und Ernte zu optimieren. Nun  hat die Europäische Weltraumorganisation ESA verkündet, ihre nächste Satellitenmission der Pflanzenforschung zu widmen. Mit einem hochauflösenden Spektrometer an Bord soll das Flugobjekt namens „FLEX“ in sieben Jahren Daten zur aktuellen Pflanzenfluoreszenz liefern und auf einer Weltkarte anzeigen, welche Pflanzen, in welchen Regionen unter Stress stehen. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich haben dafür den Weg geebnet. Das von ihnen entwickelte flugzeuggestützte Spektrometer „HyPlant“ soll für die Mission ins All weiterentwickelt werden.

Stehen Pflanzen unter Stress, wird die Photosynthese behindert. Ein typisches Anzeichen dafür sind beispielsweise braune Blätter. Die Fluoreszenz der Pflanzen ist somit der entscheidende Gradmesser, um deren Produktivität zu bestimmen.  Mit Blick auf den wachsenden Ernährungsbedarf der Weltbevölkerung gewinnt daher die Pflanzenforschung zunehmend an Bedeutung. Nun hat auch die Europäische Weltraumorganisation ESA ihren nächsten unbemannten Raumfahrtflug diesem Forschungsfeld gewidmet. "Wir sind begeistert, dass sich die ESA für dieses relativ junge Forschungsfeld entschieden hat", sagt Uwe Rascher vom Jülicher Institut für Pflanzenwissenschaften (IBG-2).

Jülicher Spektrometer als Vorbild für ESA-Mission

Mit ihren Messsystem „HyPlant“ sind die Jülicher Wissenschaftler um Uwe Rascher sozusagen die Wegbereiter der kommenden Satellitenmission. "Trockenheit, Hitze, Luftverschmutzung, Parasitenbefall oder schlechte Bodenverhältnisse dämpfen die Photosyntheseaktivität von Pflanzen, und dies lässt sich mit HyPlant erstmals großflächig abbilden", erklärt Rascher.

Der Name des neuen Satelliten ist daher auch Programm: „Fluorescence Explorer“ – kurz FLEX – soll in sieben Jahren auf ihrem Weg um die Erde wertvolle Daten zur globalen Pflanzenproduktivität liefern.  Die Fluoreszenzintensität der Pflanzen bildet dabei die Basis. Denn es geht nicht nur um eine Bestandaufnahme. Das hochauflösende Gerät erkennt Pflanzen, die unter Stress stehen anhand der Fluoreszenzintensität, noch bevor das menschliche Auge Veränderungen wahrnimmt.

Umwelteinfluss mit Fluoreszenz messbar

Grundlage für die Messungen mit "HyPlant" ist ein Phänomen, das als Chlorophyllfluoreszenz bekannt ist. "Vereinfacht kann man sagen, je mehr Licht die Pflanze einfängt und je mehr Photosynthese sie betreibt, desto intensiver ist das Fluoreszenzsignal. Ist die Pflanze jedoch gestresst und läuft die Photosynthese nicht optimal, verändert sich das Signal. Durch diese Änderungen können wir den Effekt von ungünstigen Umweltbedingungen auf Pflanzen direkt messen.

Bis zum Start der Satellitenmission im Jahr 2022 soll das Jülicher Spektrometer von Industriepartner der ESA für den Flug ins Weltall weiterentwickelt werden. Das dann weltalltaugliche Gerät soll den Namen FLORIS – kurz für "Fluorescence Imaging Spectrometer" tragen.

Fluoreszenzverschiebung belegt Pflanzenstress

Den Einsatz im Flugzeug hat „HyPlant“ bereits erfolgreich bestanden. Mithilfe des Spektrometers wurden in Europa und den USA sowohl bewirtschaftete Agrarflächen als auch Ökosysteme und Landschaften abgebildet. Dabei gelang es erstmals, das äußerst schwache Fluoreszenzsignal von Pflanzen im roten und nahen Infrarot-Bereich zuverlässig darzustellen. Die hochauflösende Technik zeigte somit auch Verschiebungen der Fluoreszenz an, die ein klares Signal für Pflanzenstress sind. "Aus der Luft ist uns das im lokalen Maßstab gelungen, aus dem Orbit werden wir dann in der Lage sein, ein globales Bild zu erhalten, wie die Vegetation der Erde Photosynthese betreibt und dabei CO2 fixiert", erläutert Rascher.

bb