Pflanzenkrankheiten früh erkennen

Sorgenvoll blickt der Landwirt auf seinen Kartoffelacker: Wo vor kurzem noch sattes Grün zu sehen war, haben sich viele Blätter bräunlich verfärbt – vermutlich steckt eine Pilzerkrankung dahinter. Ist der Befall erst einmal sichtbar, ist es meist schon zu spät. Der Krankheitsverlauf ist dann schon so weit fortgeschritten, dass der Landwirt nicht mehr wirksam gegensteuern kann.

Um frühzeitig zu erkennen, ob und wie stark seine Pflanzen befallen sind, müsste er regelmäßig Proben ins Labor schicken. Dort wird meist mit der ELISA-Methode getestet, einem gängigen Nachweisverfahren, das auf einer Antikörper-Antigen-Reaktion beruht. »Die Untersuchungen sind jedoch teuer. Außerdem dauert es bis zu zwei Wochen, bis der Bauer die Ergebnisse erhält. Bis dahin hat sich die Krankheit eventuell schon flächendeckend ausgebreitet«, erklärt Dr. Florian Schröper vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen.

Forscher des IME arbeiten jetzt an einem neuen Schnelltestverfahren, das dem Landwirt eine kostengünstige Analyse direkt auf dem Feld ermöglichen soll. Herzstück ist ein Magnetreader, den Wissenschaftler am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich entwickelt haben. Das Gerät verfügt über mehrere Anregungs- und Detektionsspulen, die jeweils paarweise angeordnet sind. Die Anregungsspulen erzeugen ein hoch- und ein niederfrequentes Magnetfeld, die Detektionsspulen messen das daraus resultierende Mischfeld. Dringen nun Magnetpartikel in das Feld ein, ändert sich das Messsignal. Das Ergebnis wird in Millivolt auf einem Display angezeigt. So lassen sich Rückschlüsse auf die Konzentration von Magnetpartikeln im Feld ziehen.

Diesen Mechanismus machen sich die Forscher zunutze, um Krankheitserreger aufzuspüren. »Wir erkennen dabei nicht den Virus selbst, sondern an die Viruspartikel gebundene Magnetpartikel«, so Schröper. Diese werden zuvor mit Antikörpern bestückt, so dass sie spezifisch an die Krankheitserreger andocken können. Dadurch »klebt« quasi an jedem Magnetpartikel auch ein Viruspartikel. Um sicherzustellen, dass diese proportional zueinander sind, wenden die Forscher ein Verfahren an, das ähnlich wie das ELISA-Prinzip funktioniert. Dazu geben sie Pflanzenextrakt in ein kleines Filtrationsröhrchen mit einer Polymermatrix, an die ebenfalls Antikörper gebunden sind. Läuft nun die Pflanzenlösung durch das Röhrchen, bleiben die Viruspartikel in der Matrix hängen. Nach einem Reinigungsschritt fügen die Experten die mit Antikörpern modifizierten Magnetpartikel zu. Diese docken wiederum an die Antigene in der Matrix an. In einem weiteren Reinigungsschritt werden alle nicht gebundenen Partikel entfernt. Das Röhrchen wird dann in eine Vorrichtung im Magnetreader geschoben, um die Konzentration der Magnetpartikel zu messen.

Bei ersten Tests mit dem Grapevine-Virus, der Weinreben befällt, haben die Forscher bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt: Die Messwerte erreichten eine zehnmal höhere Empfindlichkeit als beim ELISA-Verfahren. Aktuell arbeiten Schröper und sein Team daran, die Untersuchungen auf andere Pathogene auszuweiten, etwa den Schimmelpilz Aspergillus flavus.

Bis zur Einsatzreife soll das mobile Mini-Labor jedoch noch anwenderfreundlicher werden. Statt einen Messwert in Millivolt zu erhalten, soll der Landwirt etwa auf dem Display direkt ablesen können, wie stark seine Pflanzen befallen sind. Außerdem wollen die Wissenschaftler die Analyseschritte und damit die benötigte Detektionszeit nach Möglichkeit noch reduzieren. Das Mini-Labor wird auf der Messe Biotechnica in Hannover vom 10. bis 13. Oktober in Halle 9, Stand D10 vorgestellt.