Electrical Penetration Graph

Electrical Penetration Graph (EPG-Technik) ist eine Untersuchungsmethode in der Biologie. Sie dient dazu, das Saugverhalten einer Blattlaus (oder anderer Insekten mit stechend-saugenden Mundwerkzeugen) zu untersuchen.

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Dazu wird zwischen dem Insekt und der Pflanze ein elektrischer Stromkreis erzeugt, indem man eine Elektrode in den Boden der getopften Pflanze einsetzt und über einen feinen Golddraht mittels elektrisch leitenden Klebers eine sehr dünne Verbindung am Insekt anbringt. Dieser Stromkreis enthält neben einem elektrischen Widerstand (R_i) eine Spannungsquelle (V). Sobald die Stechborsten der Blattlaus in die Pflanze eindringen, wird der Stromkreis geschlossen, und man erhält eine Wechselspannung (EPG-Signal), welches verstärkt und aufgezeichnet wird. Durch eine AD-Wandlerkarte wird dieses Signal bei einer Wandlerfrequenz von ca. 100 Hz digitalisiert und kann am Computer aufgezeichnet werden.
Die Spannungsänderungen bilden verschiedene charakteristische Muster, auch als „waveforms“ bezeichnet. Die verschiedenen Hauptmuster, die für Blattläuse unterscheidbar sind, wurden in ihrer Wechselbeziehungen zu deren Einstichverhalten und der Position der Stechborstenspitze im Pflanzengewebe charakterisiert. Der elektrischer Ursprung des Signals wird gleichzeitig durch zwei unterschiedliche Quellen verursacht:

1. durch den wechselnden elektrischen Widerstand der Blattlaus bzw. der Stechborsten in der Pflanze und
2. durch Spannungen, die direkt in der Insekt-Pflanze-Kombination „erzeugt“ werden.

Diese zwei Quellen der Signalbestandteile, als Widerstand (R) und als elektromotorische Kraft (emf) des EPG bezeichnet, überlagern sich am Messpunkt.
Die R-Bestandteile entstehen hauptsächlich durch die Bewegungen der Stechborsten. Die emf-Bestandteile dagegen entstehen durch die „Membranpotentiale“ der Pflanzenzellen - wenn sie von den Stechborsten durchbohrt werden - sowie als Strömungspotentiale infolge der Fließbewegungen der Flüssigkeiten (Zellsaft, Speichel) in den feinen Stechborstenkanälen. Muskel- und neurale Potentiale im Insekt liegen außerhalb des Stromkreises und scheinen folglich nicht zum EPG-Signal beizutragen. Beide Bestandteilte, „R“ und „emf“, enthalten wichtige biologische Informationen über die Tätigkeiten des Insekts und die Positionen der Stechborstenspitzen im Pflanzengewebe.

Das Messsystem, das von McLean eingeführt wurde und bei dem Kinsey (1964) Wechselstrom als Spannungsquelle (AC) benutzte, beruhte auf einer Modulation der Spannung, deren Umfang durch die Widerstandsänderungen im Insekt verursacht wurde, ähnlich der Signalübertragung im AM-Radio. Mit diesem Wechselstrom-System konnten die emf-Bestandteile im Signal nicht erfasst werden. Später wurde die Spannungsquelle durch Gleichstrom (DC) ersetzt, und zwei DC-System-Varianten wurden entwickelt^[1].

In einem System ist der Eingangswiderstand (R_i) sehr hoch (> 1 GΩ), damit Widerstandsänderungen des Insekts unwesentlich und nur die emf-Bestandteile registriert werden. Das reguläre DC-System hat einen Eingangswiderstand, der ungefähr den gleichen Wert hat wie der durchschnittliche elektrische Widerstand der Blattlaus-Pflanze-Kombination, und ermöglicht somit optimal das Verhältnis des Widerstandes und der emf–Bestandteile im gleichen Umfang zu erfassen.

Gegenwärtig gibt es tatsächlich 3 EPG-Systeme:

1. das „reguläre“ DC-System, das beide Signalbestandteile registriert und am verbreitetsten eingesetzt wird,
2. den 'emf-Verstärker', ein DC-System, das nur die emf-Bestandteile erfasst und
3. den 'R-Verstärker', das AC-System, das nur die R-Bestandteile erfasst.

Das EPG des regulären DC-Systems enthält den breitesten Anteil biologischer Informationen im Signal, ist folglich komplexer als die Signale des emf- oder R-Verstärkers, ergibt aber die umfangreichsten und relevantesten biologischen Informationen.

Einzelnachweise

1. ↑ Tjallingii, W. F. 1978. Electronic recording of penetration behaviour by aphids. Entomologia Experimentalis et Applicata 24: 721-730

Literatur

McLean, D. L., and M. G. Kinsey. 1964. A technique for electronically recording aphid feeding and salivation. Nature 202: 1358-1359.

Weitere Informationen

EPG-Seite von Dr. F. Tjallingii [1]