Namora Dietz, Chun-Fai Yu, Stefan Heimrich, Dirk Jäger, Michael Pflanz*, Manuela Zude*
Beuth-Hochschule für Technik Berlin, Luxemburger Str. 10, 13353 Berlin
*Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam Bornim (ATB), Max-Eyth-Alle 100, 14469 Potsdam E-Mail: mpflanz@atb-potsdam.de
Zusammenfassung: Im Rahmen eines Studienprojektes wurde im Studiengang GAR-TENBAULICHE PHYTOTECHNOLOGIE der Beuth-Hochschule für Technik Berlin eine Untersuchung zur Bestimmung des Reifegrades von klimakterischen Früchten auf der Basis zerstörungsfreier und praxistauglicher Messmethoden durchgeführt. Als Referenz wurde der reifebedingte Chlorophyllabbau im Verlauf der Fruchtentwicklung bei Tomate durch nass-chemische Pigmentanalysen ermittelt, um die zerstörungsfreien Messungen validieren.
Deskriptoren: Tomate, Chlorophyllabbau, Phytomonitoring, Nährstoffvarianten, zerstö-rungsfreie Sensorik
Abstract: In terms of a study course in „horticultural phytotechnology“ at the Beuth Uni-versity of Applied Sciences in Berlin an approach of phytomonitoring was tested on rip-ening tomato fruits under greenhouse conditions. For this purpose non-destructive opti-cal readings were conducted directly on plants during the period of fruit development.
Validation measurements were carried out in the laboratory to extract chlorophyll-a from fruit tissue.
Keywords: tomato, chlorophyll degradation, non-destructive spectral readings, nutri-tion, phytomonitoring
1 Einleitung
Bei einem Demonstrationsversuch im Studiengang GARTENBAULICHE PHYTO-TECHNOLOGIE der Beuth-Hochschule für Technik Berlin wurde der Reifegrad von kli-makterischen Früchten direkt an der Pflanze bestimmt. Unter verschiedenen Nähr-stoffstrategien wurde der reifebedingte Chlorophyllabbau während Fruchtentwicklung
auf der Basis zerstörungsfreier Messmethoden gemessen und durch chemische Pig-mentanalysen validiert.
2 Material und Methoden
Im Forschungsgewächshaus der Hochschule wurden für den vorliegenden Versuch ins-gesamt n=48 Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum L. 'Carousel') als Jungpflanzen hydroponisch auf Steinwolle kultiviert. Um einen Einfluss auf die Reifeentwicklung und den Chlorophyllgehalt der Früchte zu induzieren, wurden neben der unbehandelten Kontrolle Magnesium und Stickstoff jeweils als Mangel- und Überschussvariante, Man-gan ausschließlich als Überschuss eingestellt (Tabelle 1).
Tabelle 1: Versuchsaufbau mit Fokus auf Pflanzenernährung
Variante ID
Stickstoffmangel N-
Stickstoffüberversorgung N+
Magnesiummangel Mg-
Magnesiumüberversorgung Mg+
Manganüberversorgung Mn-
Kontrolle Ko
Anbaubegleitend wurde die Fruchtentwicklung direkt an der Pflanze aufgezeichnet (Ab-bildung 1a). Hierzu wurden zerstörungsfreie Methoden gewählt, die Spektraldaten im sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereichen messen, wobei ein multi-spektrales (DA-Meter, Sintéleia, Italien) und ein hypermulti-spektrales Gerät verwendet wurde (Pigment Analyzer, CP, Falkensee). Die jeweilige Lichtquelle bestand bei allen Geräten aus LEDs und die optische Geometrie war als Remissionsmessung angeordnet. Die Lichtremission wurde mittels Photodiode und Filter (DA-Meter) bzw. Spektrometerein-heit mit Photodiodenarray (Pigment Analyzer) wellenlängenspezifisch erfasst.
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(a) (b)
Abbildung 1: (a) Zerstörungsfreie Messung der optischen Fruchteigenschaften mittels PigmentAnalyzer, (b) sichtbare Blattchlorosen in der Mg-Mangel Variante
Neben der Erfassung der Frisch- und Trockenmasse wurde das Kaliber der Früchte anbaubegleitend bestimmt und ins Verhältnis zur ermittelten Frischmasse gesetzt. Die Chlorophyllabbaurate wurde mit Hilfe eines modifizierten Pigmentextraktionsverfahren nach FISH et al. (2002) bestimmt. Eine auf etwa 0,5 g abgewogene Probe des äußeren Perikarps wurde je Versuchsglied an mehreren Terminen entnommen und bei -30°C bis zur Analyse gelagert. Für die chemische Aufbereitung wurde die Probe mittels Aceton (99% Reinheit) in einen Rührbecher gegeben, unter Zugabe von 5ml Ethanol (96%) und Verwendung eines Dispergiergerätes (UltraTurrax, IKA, Staufen) in einen extraktionsfä-higen Zustand überführt. Dem Aceton-Pigment-Extrakt wurden 10 ml Hexan, sowie 3ml Aqua dest. hinzugegeben. Die Pigmente akkumulierende Hexanschicht wurde mittels Pipette (500 - 5000µl, Eppendorf, Wesseling-Berzdorf) abgenommen und am Spektro-photometer (DR 3900, HACH, Düsseldorf) vermessen. Die Berechnung der Einzelpig-mente Chlorophyll a und b erfolgte auf der Basis des Transmissionsspektrums durch eine Suprasil-Küvette (10 mm) und spektraler Segmentierung mit Hilfe von iMLR (PFLANZ & ZUDE 2008).
3 Ergebnisse und Diskussion
Unabhängig von der eingestellten Nährstoffversorgung war das Verhältnis von Frisch-masse und Kaliber der Tomatenfrüchte bei allen Varianten nicht signifikant verschieden innerhalb der Varianten. Einzig die Variante mit Stickstoffüberschuss (N+) und Magne-siummangel (Mg-) wies signifikante Unterschiede auf. In der MagneMagne-siummangelvariante (Mg-, Abbildung 1b) wurde Chlorophyll-a im Vergleich zur Überschuss- (Mg+) und Kontrollvariante (Ko) im Messzeitraum am stärksten abgebaut (Abbildung 2). Die Mag-nesium-Überschussvariante (Mg+) zeigte dagegen am letzten Messtag signifikant er-höhte Gehalte im Vergleich zur Kontrolle und war außerdem erhöht gegenüber der Mangelvariante (Mg-), obwohl hier zu Versuchsbeginn die höchsten Gehalte an Chloro-phyll a gemessen wurden.
Abbildung 2: Darstellung des Abbaus von Chlorophyll a der Versuchsvarianten mit Magnesiumüberschuss und -unterversorgung im Vergleich zur Kontrollvariante.
Anbaubegleitend wurde die Entwicklung von Chlorophyllgehalten während der Frucht-reife durch zerstörungsfreie Messungen aufgezeichnet (Abbildung 3). Dabei zeigte sich, dass mittels Chlorophyll-sensitiven NDVIs (Normalized Differenced Vegetation Index) bis zum 31. Tag nach Vollblüte keine signifikanten Unterschiede zwischen den Nährstoffvarianten nachweisbar waren (Abbildung 3a). In der (Mg-) Variante sank der NDVI-Wert gegenüber der (Mg +) Variante und der Kontrolle dagegen ab dem 31. Tag nach Vollblüte stärker als in den Vergleichsvarianten. Diese Tendenz konnte durch Messungen mit dem DA-Meter nicht bestätigt werden (Abbildung 3b).
(a) (b)
Abbildung 3: Ergebnis der zerstörungsfrei aufgezeichneten optischen Fruchteigenschaften.
(a) Verlauf des NDVI (Pigmentanalyzer) und (b) des DA-Wertes (DA-Meter) während der Fruchtreife.
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Das frühe Versuchsende im Projektrahmen verhinderte eine Analyse hinsichtlich ande-rer Pigmente (z.B. veränderlicher Carotinoide). Um eine präzise Erntezeitpunktbestim-mung zu erreichen, wäre eine anbaubegleitende Messung von ß-Carotin- sowie Lutein- und Lycopingehalten der Früchte hilfreich. Diese ist zerstörungsfrei mit einem hyper-spektral arbeitenden Gerät möglich und sollte bei künftigen Versuchen durchgeführt werden.
Literaturverzeichnis
FISH W.W., PERKINS-VEAZIE P., COLLINS J.K. (2002): A Quantitative Assay for Lycopene That Utilizes Reduced Volumes of Organic Solvents. Journal of Food Composition and Analysis 15:309-317
PFLANZ M., ZUDE M. (2008). Spectrophotometric analyses of chlorophyll and single carotenoids during fruit development of tomato (Solanum lycopersicum L.) by means of iterative multiple linear regression analysis. Applied Optics 47:5961-5970