Fallstudie: Genetische Forschung zum Mechanismus der Wärmeerzeugung in Pflanzen

Mit Wärmebildkameras können schnell neue exotherme Pflanzen entdeckt werden

Das Kazusa DNA Research Institute wurde 1994 als weltweit erste Einrichtung gegründet, die sich auf die DNA-Forschung spezialisiert hat. Das Institut will in verschiedenen Bereichen, darunter Medizin, Landwirtschaft, Industrie und Bildung, einen bedeutenden Beitrag leisten und gleichzeitig weltweit führend in der DNA-Forschung sein.

Dr. Mitsuhiko Sato, ein Projektforscher, der sich auf die Evolution der Biologie spezialisiert hat, wollte Temperaturänderungen in Pflanzen, die Wärme erzeugen, beobachten und dokumentieren, ohne sie zu stören. Vor Kurzem hat er für seine Forschung eine Wärmebildkamera Teledyne FLIR T530 erworben.

Das Kazusa DNA Research Institute und Dr. Mitsuhiko Sato

Untersuchung von Temperaturänderungen in einem Stinkkohl, einer exothermen Pflanze

Manche Pflanzen erzeugen Wärme – etwa 90 verschiedene Arten weltweit. Da die Temperatur jedoch unsichtbar ist, gibt es möglicherweise noch weitere wärmeerzeugende „exotherme“ Pflanzen, die noch nicht entdeckt wurden. Einer der wenigen Forscher, der sich mit der Erforschung exothermer Pflanzen beschäftigt, ist Dr. Sato, ein Projektforscher am Kazusa DNA Research Institute.

„Ich untersuche derzeit Symplocarpus foetidus var. latissimus in Araceae, einer verwandten Art des Stinkkohls. Die Pflanze blüht Anfang des Frühjahrs direkt nach der Schneeschmelze, wenn die Außentemperatur nahe null ist“, so Dr. Sato. „Die Pflanze erzeugt jedoch nachts eine Wärme von etwa 20 Grad Celsius und hält diese Temperatur während der Blütezeit etwa ein bis zwei Wochen lang aufrecht. Sie ist kein gleichwarmes Tier, sondern eine gleichwarme Pflanze. Darüber hinaus gibt es Pflanzen wie die Sagopalme (siehe unten), die als ‚wechselwarme Pflanzen‘ bezeichnet werden, da sie bei Hitze mehr Wärme erzeugen.“ Für seine Messungen an exothermen Pflanzen verwendete Dr. Sato wie üblich einen Datenlogger mit einem Thermoelement und führte eine nadelförmige Sonde in die Blüte ein, um Temperaturänderungen zu verfolgen. Wenn die Sonde jedoch in die Blüte eingeführt wird, kann die Pflanze absterben. Darüber hinaus erfasst man mit einem Thermoelement mit Datenlogger nur die Temperatur an der Stelle, an der die Nadel eingeführt wird. In der Hoffnung, eine genauere Vorstellung davon zu erhalten, an welchen Stellen der Blüte die meiste Wärme entsteht, ohne die Blüte dabei zu beschädigen, entschied sich Dr. Sato für den Kauf einer Wärmebildkamera. Auf der Suche nach einer geeigneten Kamera machte ein Forscherkollege Dr. Sato auf die Wärmebildkamera von Teledyne FLIR aufmerksam.

„Beim Kauf neuer Geräte ist es wichtig, dass diese die Forschungsergebnisse reproduzieren können. Mein Forscherkollege schlug vor, die Wärmebildkamera von Teledyne FLIR zu kaufen und damit die Temperatur der Blüte zu messen, ohne sie zu beschädigen. Nach dieser Maßgabe kaufen wir auch unsere anderen Geräte“, sagt er. „Ich habe an einem Online-Seminar von FLIR teilgenommen, bei dem leicht und verständlich erklärt wurde, wie die Kamera optimal eingesetzt werden kann. Meine endgültige Entscheidung habe ich dann getroffen, weil die Kamera leicht zu bedienen ist und ich sie als Wissenschaftler zu einem günstigeren Preis kaufen konnte.“

Bild einer Blüte einer männlichen Sagopalme. Nahaufnahme links und Vollbild rechts

Die Kamera kann für Beobachtungen an einen Ort tief in den Bergen mitgenommen werden, wo die Pflanzen natürlich vorkommen

Bei der Beobachtung von Pflanzen ist die Gebrauchstauglichkeit der Geräte ein wichtiger Faktor. „Ich führe derzeit am Institut und in der Umgebung Beobachtungen durch. Ich möchte aber meine Geräte auch an Orte mitnehmen, an denen die Pflanzen natürlich vorkommen, z. B. tief in den Bergen. Die Wärmebildkamera von Teledyne FLIR ist leicht zu tragen, und das war für mich attraktiv“, erklärt Dr. Sato. Bei seiner Forschung nutzt Dr. Sato sowohl einen Datenlogger, um Daten über Veränderungen im zeitlichen Verlauf zu erfassen, als auch eine Wärmebildkamera, um leicht verständliche und wirkungsvolle Bilder aufzunehmen.

„Als ich nur den Datenlogger benutzte, war ich mir bei den durchgeführten Messungen manchmal unsicher, aber mit der Wärmebildkamera kann ich die Messungen noch vor Ort überprüfen, und das ist eine große Hilfe“, erklärt er weiter.

Außenaufnahmen

Exotherme Gene identifizieren und die Ergebnisse in einer Veröffentlichung zusammenfassen

„Wenn die Mitochondrien atmen, erzeugen exotherme Pflanzen Energie in Form von Wärme anstatt ATP (Adenosintriphosphat). Das heißt sie verfügen über einen Mechanismus, der Wärme erzeugt und der in ihrem genetischen Bauplan verankert ist und von Generation zu Generation unversehrt weitergegeben wird. Das Kazusa DNA Research Institute ist ein weltweit anerkanntes Institut, das sich auf das Genom von Pflanzen und Menschen spezialisiert hat. Ich werde meine Forschung fortsetzen, um den Mechanismus der Wärmeerzeugung in Pflanzen in den Genen aufzudecken“, so Dr. Sato weiter. Sobald die Wissenschaft den Mechanismus der Wärmeerzeugung besser versteht, werden wir ihn reproduzieren und schließlich nichtexotherme Pflanzen so verändern können, dass sie Wärme erzeugen. Das könnte Pflanzen ermöglichen, die besser der Kälte standhalten, so dass z. B. Reis in kalten Regionen angebaut oder Mangos außerhalb tropischer Regionen gezüchtet werden können. So können sie vielleicht dazu beitragen, Probleme in der Nahrungsmittelversorgung zu bekämpfen und in der Landwirtschaft Anwendung finden.

„Welche Gene verwenden sie für die Wärmeerzeugung? Mit den Bildern, die ich mit der Wärmebildkamera aufgenommen habe, als ich die exothermen Gene identifizierte, bereite ich jetzt eine Veröffentlichung vor“, so Dr. Sato. Er fügt hinzu: „Ich erwarte von den Anwendungen einer Wärmebildkamera bei meiner Forschung einen großen Nutzen. Bei der Entdeckung bisher unbekannter exothermer Pflanzen gibt es enorm viele Möglichkeiten. Dabei können viele neue Erkenntnisse gewonnen werden.“

Professionelle Wärmebildkamera – FLIR T530

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