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Coordinating institute

Project

Title:Schnelle Detektion von pilzlichen Phytopathogenen auf Früchten mittels Biospeckl
Start:01.01.2020
End:31.12.2021
Coordinating institute:Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB), Potsdam
Coordinator:Werner Herppich
Funding:Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), Bonn
Grant agreement number:57514825
Funding framework:PPP Programme for Project-Related Personal Exchange (starting in 2020) with Poland
Partner:Institute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences Lublin, Polen
  
Part of research program:Quality and safety of food and feed
Abstract:Mit dem Begriff Biospeckle bezeichnet man ein optisches Phänomen, das durch die dynamische Streuung von Strahlung im sichtbaren und im kurzwelligen Nahinfrarot an mikroskopischen und submikroskopischen Partikeln in lebenden pflanzlichen und tierischen Geweben bedingt wird. Diese Objekte können Zellorganellen oder im Zytoplasma gelöste Partikel bzw. Moleküle sein, deren Bewegung die Hauptursache für die beobachtbaren Fluktuationen der Biospeckle darstellen. Die Prozesse des aktiven intrazellularen Transports, die für diese Bewegungen primär verantwortlich sind, beruhen hautsächlich auf der Funktion des Actin-Myosin-Systems und können daher als repräsentativer Indikator des momentanen physiologischen Zustandes der Zelle(n) angesehen und somit zu dessen Bewertung genutzt werden. In diesem Zusammenhang kann man folglich die Analyse der Biospeckleaktivität als direkte Folge der stoffwechselabhängigen Geschwindigkeit der intrazellularen Bewegungen einsetzen um den aktuellen physiologischen Gesamtzustand, der "Frische" von Früchten einsetzen. Dies ist besonders relevant für die Beurteilung von unterschiedlichsten Störungen der Stoffwechselaktivitäten der Frischprodukte, wie sie bei einer Gewebeschädigung z. B. Druck oder Quetschung oder bei pilzlichen Infektionen auftreten. Die am häufigsten vorkommenden Schädigungen von Früchten werden tatsächlich durch natürliche Infektionen mit unterschiedlichsten pilzlichen oder bakteriellen Krankheitskeimen ausgelöst. Daher kann die Biospecklebildanalyse sehr gut eingesetzt werden, um die Krankheitssymptome einer pilzlichen Infektion zu erkennen und zu erfassen und zwar bevor es zu visuell klar erkennbaren Schädigungen kommt. In diesem Projekt soll dieser Ansatz angewendet, optimiert und seine Nutzung unter praxisnahen Bedingungen evaluiert werden.
Die Biospecklebildanalyse hängt als Methode direkt von der Aktivität der im lebenden Organismus ablaufenden Stoffwechselprozesse ab. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist jedoch, dass sie diese Stoffwechselprozesse nicht selektiv identifizieren bzw. differenzieren kann, sondern eine Gesamtreaktion erfasst. Die Biospecklebildanalyse ermöglicht es auch nicht, die Änderung der Konzentrationen ganz bestimmter chemischer Substanzen bzw. Inhaltsstoffe von Obst und Gemüse zu verfolgen. Aus diesem Grund ist es bei dem aktuellen Stand des Systemdesigns und der Kalibrierung der Methode äußerst sinnvoll, parallel zur Biospecklebildanalyse zusätzliche, ergänzende Techniken einzusetzen, um diese Beschränkungen zu umgehen oder zu eliminieren. Deshalb ist für dieses Projekt geplant, dafür moderne zerstörungsfreie optische Methoden wie die Chlorophyllfluoreszenz- und die Hyperspectral-Bildanalyse zu nutzen.
Abstract:The term biospeckle refers to an optical phenomenon caused by the dynamic scattering of radiation in the visible and short-wave near infrared on microscopic and submicroscopic particles in living plant and animal tissues. These objects can be cell organelles or particles or molecules dissolved in the cytoplasm, whose movement is the main cause of the observable fluctuations of the biospecula. The processes of active intracellular transport, which are primarily responsible for these movements, are mainly based on the function of the actin-myosin system and can therefore be regarded as a representative indicator of the current physiological state of the cell(s) and can therefore be used for its evaluation. In this context, the analysis of biospeckle activity as a direct consequence of the metabolically dependent speed of intracellular movements can therefore be used to assess the current overall physiological state, the "freshness" of fruits. This is particularly relevant for the assessment of various disturbances in the metabolic activities of fresh products, such as those occurring in the case of tissue damage, e.g. pressure or bruising, or fungal infections. The most frequently occurring damage to fruit is actually caused by natural infections with various fungal or bacterial pathogens. Therefore, biospeckle image analysis can be used very well to detect and record the symptoms of a fungal infection before any visually obvious damage occurs. In this project this approach will be applied, optimized and its use evaluated under practical conditions.
As a method, biospeckle image analysis depends directly on the activity of the metabolic processes taking place in the living organism. A disadvantage of this approach, however, is that it cannot selectively identify or differentiate these metabolic processes, but rather records an overall reaction. Biospecklebild analysis also does not make it possible to track changes in the concentrations of very specific chemical substances or ingredients of fruit and vegetables. For this reason, given the current state of system design and calibration of the method, it is extremely useful to use additional, complementary techniques in parallel to biospecimen analysis to circumvent or eliminate these limitations. Therefore, it is planned to use modern non-destructive optical methods such as chlorophyll fluorescence and hyperspectral image analysis for this project.
 

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