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Dr. Maximilian Weigand

3. Preis des Jahres 2019

Monitoring structural and physiological properties of crop roots using spectral electrical impedance tomography

Institut für Geowissenschaften, Abteilung Geophysik, Universität Bonn

© Geoverbund ABC/J / Forschungszentrum Jülich GmbHDr. Maximilian Weigand
Copyright: Geoverbund ABC/J / Forschungszentrum Jülich GmbH

In Zeiten steigender Bevölkerungszahlen und zunehmender extremer Klimaereignisse steigt der Druck, die ‘kritische Zone’, also die obere Schicht des Erdbodens, besser verstehen und kontrollieren zu können. Eine zentrale Rolle spielen hier Pflanzenwurzeln, welche einen Großteil des Wasser- und Nährstoffaustausch zwischen Boden und Atmosphäre bewerkstelligen. Im Rahmen seiner Forschungsarbeiten beschäftige sich Dr. Weigand mit der Anwendung der elektrischen Impedanztomographie (EIT) auf die Charakterisierung von Pflanzenwurzeln. Ziel der Arbeit war es, EIT als nicht-invasive Beobachtungsmethode für Pflanzenwurzeln zu etablieren. Die Methode wird schon einige Zeit in der Geophysik zur strukturellen Erkundung des Untergrundes angewendet. Anwendungen in biogeophysikalischen Bereichen sind jedoch nachwievor selten, und die Beobachtung von Struktur und Funktion von Pflanzenwurzeln ist ein absolutes Novum auf diesem Gebiet.

In diversen Laborexperimenten konnten erfolgreich Wurzelausdehnung und auch systematische Veränderungen in den elektrischen Signalen bei Nährstoffarmut beobachten werden, wenn die Wurzelsysteme in Wasser oder Nährlösung eingebettet wurden. Dies macht die EIT Methode zu einem einzigartigen Kandidaten für die Erforschung von Wurzelsystemen im Labor und im Feld. Solche Methoden werden zwingend gebraucht, da konventionelle Methoden meist zeitaufwendig sind, und dabei oft die Wurzelsysteme zerstören. Dies hemmt den Fortschritt der Forschung, etwa in den Bereichen Ertragssteigerung und Stressresistenzen. Trotz der sehr vielversprechenden Ergebnisse befindet sich die Methode noch in den Kinderschuhen, und viele technische und funktionale Aspekte müssen noch geklärt werden, bevor an eine routinemäßige Anwendung in den Agrarwissenschaften zu denken ist. Bodensubstrate stellen eine zentrale weitere Signalquelle dar, welche sich mit den Wurzelsignalen überlagert, und daher die Anwendung in natürlichen Umgebungen erschwert.


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