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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung
der Reife und Qualität von Samen durch Bestrahlung mit
elektromagnetischen Strahlen. Aufgrund dieser Bestrahlung wird das in
den Samen vorliegende Chlorophyll unmittelbar Fluoreszenz
zeigen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum
Sortieren von Samen, die im wesentlichen aus einem Zufuhrteil
für die Samen besteht, einem Teil zur Bestrahlung der Samen mit
elektromagnetischer Strahlung, einem Teil zur Messung des von
den Samen zurückkommenden Signals und einem Trennungsteil, das
auf der Grundlage des von den Samen zurückkommenden Signals
arbeitet. Samen werden als Reproduktionseinheit der Pflanze
nach sexueller oder nicht-sexueller Befruchtung des Eis
definiert. Mit der Bezeichnung "Chlorophyll" werden alle
Erscheinungsformen des Chlorophyll-Moleküls bezeichnet, wie das
bekannte Blattgrün Chlorophyll, Protochlorophyll und alle
weiteren möglichen Konfigurationen.
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Die Bestimmung der Menge der Chlorophyllfluoreszenz der
Samenhülle ist ein gutes Verfahren für die Bewertung der Reife und
Qualität der Samen. Es hat den Anschein, daß gleichzeitig mit
der Reifung der Samen das Chlorophyll, das in den Samen
vorliegt, abgebaut wird. Während des Reifungsprozesses wird daher
die Menge des Chlorophylls in der Samenhülle abnehmen. In
Übereinstimmung damit verändert sich die Farbe von grün (u. a. durch
die Gegenwart des Chlorophylls in unreifen Samen) zu einer
Farbe, die von der untersuchten Art abhängt. Es erscheint
ferner, daß Samen mit Brüchen in der Samenhülle höhere
Chlorophyllfluoreszenzsignale auf weisen. Aufgrund dieser Brüchen in
der Samenhülle wird das darunterliegende, Chlorophyll
enthaltende Gewebe (Cotyledonen, Endosperm oder Embryo) freigelegt.
Mit bekannten Vorrichtungen, die zur Sortierung von Samen
aufgrund der Farbe verwendet werden, können Samen in Grün-Klassen
eingeteilt werden. Die Unterscheidung der Reife auf Grundlage
der Farbe ist jedoch nicht befriedigend: Nur große
Reifeunterschiede können durch Farbsortierungsvorrichtungen bestimmt
werden. Die Menge des Chlorophylls in der Samenhülle ist daher
eine bessere Grundlage zwischen Samen zu unterscheiden, die
einen verschiedenen Reifegrad auf weisen.
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Bei der Bewertung der Menge der Chlorophyllfluoreszenz gemäß
der vorliegenden Erfindung kann der Reifegrad des Samens und,
ob Brüche in der Samenhülle vorliegen, mit hoher Sicherheit
bestimmt werden. Dies ermöglicht es, Samen im Hinblick auf
ihren Reifegrad und die Gegenwart von Brüchen in der Samenhülle
wie in den Beispielen beschrieben, zu sortieren. Die Grenze
einer Klasse hängt von der Art und der Charge der Samen ab und
wird auf Grundlage der Verteilung der gemessenen Fluoreszenz
einer Probe, die zufälligerweise aus einer bestimmten Charge
von Samen ausgewählt wurde, bestimmt. Die Qualität des Samens
innerhalb einer Klasse hängt u. a. von der Auswahl der
Grenzbereiche der Klasse ab. Allgemein ausgedrückt, ist die Qualität
reiferer Samen höher im Vergleich zu weniger reifen oder
unreifen Samen bei Samen, die nach der Reifung in einer trockenen
Frucht lokalisiert sind (wie Samen des Kohls oder der Karotte).
Samen, die in einer feuchten Frucht reifen (wie Samen von
Pfeffer und Tomate) weisen ein Optimum in ihrer Reife auf. Unreife
Samen sowie Samen, die überreif sind, weisen eine geringere
Qualität im Vergleich zu Samen optimaler Reife auf. Die
Qualität wird dabei über den Reifegrad des Samens, Anzahl und Größe
der Brüche in der Samenhülle, Prozentsatz der Keimung,
Geschwindigkeit der Keimung, Gleichmäßigkeit der Keimung,
Wuchskraft, Prozenzsatz normaler Sämlinge, Gesundheit und
Lagerfähigkeit definiert. Samen mit optimaler und gleichmäßiger
Reife und ohne Brüche keimen gleichmäßiger und erzeugen weniger
abnormale Sämlinge. Samenbehandlungen, wie Beschichtungen,
weisen eine bessere Wirkung auf (schnellere und gleichmäßigere
Keimung), wenn die Samen eine bestimmte Reife erreicht haben.
Reife Samen weisen ferner eine bessere Lagerfähigkeit als
weniger reife oder unreife Samen auf. Unreife Samen und Samen mit
Brüchen sind zudem empfindlicher gegenüber einer Infektion
durch Schädlinge. Ein schlechter Gesundheitszustand während der
Entwicklung des Samens kann ferner den Reifungsprozeß stören.
Dies wird zu nicht-gesunden Samen mit einem geringeren
Reifegrad als bei gesunden Samen führen.
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Ein Verfahren zur Bestimmung der Chlorophyllmenge in Samen ist
aus der Veröffentlichung von Tkachuk und Kuzina in "Chlorophyll
analysis of whole rapeseed kerneis by near infrared
reflectance", Canadian Journal of Plant Science (1982) 62: 875-
884, bekannt. Dort wurde ein Spektrophotometer verwendet, um
einen Lichtstrahl bekannter Wellenlänge auf den Samen zu
richten. Nach Reflektion bestimmt die Vorrichtung die teilweise
Absorption des Lichtstrahls. Vorzugsweise werden die
Bestimmungen im Wellenlängenbereich von 400-2400 nm durchgeführt. Das
Reflektionsspektrum ist eine bekannte Meßgröße für die
Chlorophyllmenge. Die Menge des Chlorophylls wird mit dem Ziel
bestimmt, die Menge des Chlorophylls in dem Öl ausgepreßter
Samen so gering wie möglich zu belassen. Der größte Nachteil
dieses Verfahrens besteht in der Tatsache, daß verschiedene
Wellenlängen, vorzugsweise 16, verwendet werden müssen, um ein
verläßliches Ergebnis zu erhalten. Dieses Verfahren ist nicht
ausreichend sensitiv und zu kompliziert, um in einer
Sortierungsvorrichtung verwendet zu werden.
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Im Stand der Technik sind verschiedene weitere Verfahren
bekannt, um die Reife und Qualität der meisten Früchte zu
bestimmen. S. Gungsekaran, M. R. Paulsen und G. C. Shove haben in
"Optical Methods for Non-Destructive Quality Evaluation of
Agricultural and Biological Materials", Review Paper, Journal
of Agricultural Research (1985), 32, 209-241, die Menge des
Chlorophylls in den meisten Früchten gemessen, um deren Reife
zu bestimmen. Vom Prinzip her, wurde dabei Licht Absorption bei
einer Wellenlänge von 670 nm verwendet. Die Möglichkeit, die
Chlorophyllmenge des Samens einer Pflanze zu bestimmen, wurde
nicht erwähnt.
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Das Verfahren der Lichtabsorption ist nicht destruktiv im
Hinblick auf die zu untersuchenden Samen, jedoch nicht geeignet
Samen auf der Grundlage der Menge des Chlorophylls zu
sortieren, da die Sensitivität gering ist.
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R. M. Smillie, S. E. Hetherinton, R. G. R. Chaplin und N. L. Wade
haben in "Applications of Chlorophyll fluorescence to
postharvest physiology and storage of mango and banana fruit
and the chilling tolerance of mango cultivars", Asean Fruit
Journal (1987), 3(2), 55-59, the Chlorophyllfluoreszenz mit dem
Ziel gemessen, die photosynthetische Aktivität der Frucht zu
bestimmen. Die Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz in der
Hülle der geernteten Frucht während der Reifung während einer
Kühlung wurden untersucht. Die Geschwindigkeit, mit der die
Chlorophyllfluoreszenz während der Kühlung abnahm, wurde für
die Auswahl kühlungsresistenter Sorten verwendet. Das Verfahren
von Smillie et al., benötigt mindestens eine Stunde, während
derer das Pflanzenmaterial an die Dunkelheit gewöhnt wird und
die folgenden Änderungen in der Chlorophyllfluoreszenz bei
Niedriglichtbedingungen werden anschließend mindestens über
eine Zeitdauer von 2 Sek. bestimmt. Es werden verschiedene
Beispiele gegeben, in denen Chlorophyllfluoreszenz verwendet
werden könnte. Die Möglichkeit der Bestimmung der Reife und
Qualität von Samen wird jedoch nicht erwähnt. Die Möglichkeit
der Bestimmung des 0-Wertes der Fluoreszenz, F0, welcher
unmittelbar nach der Erregung durch Anschalten des Lichts gemessen
wird, wird erwähnt, F0 hängt jedoch von der Photosynthese ab.
Es wird beansprucht, daß F0 nicht mit der Menge des
Chlorophylls korrelieren muß. Die Möglichkeit der Bestimmung der
unmittelbaren Chlorophyllfluoreszenz des photosynthetisch
inaktiven Chlorophylls in trocknen Samen wird auch nicht erwähnt
und die Anwendung einer Sortierung der Samen im Hinblick auf
das Chlorophyllfluoreszenzsignal nach Qualität und Reife wird
auch nicht erwähnt.
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Europäische Patentanmeldung EP A 0 237 363 offenbart ein
Fluoreszenzmeßgerät, das hergestellt wurde, um die Interferenz
der Reflektion in dem Fluoreszenz signal auszuräumen, jedoch
kein Gerät zur Bestimmung der Menge des Chlorophylls in Samen
mit dem Ziel, Samen zu sortieren. Die vorliegende Erfindung
nutzt das Verfahren zur Korrektur der Reflektion der Probe
gemäß Anspruch 1 der EP A 0 237 363 nicht, sonder verwendet ein
Funkentstörfilter mit einer LED Lampe oder einem Laser, um die
Reflektion der Signale in den Fluoreszenzsignalen zu
verhindern.
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Europäische Patentanmeldung EP-A 0 434 644 offenbart ein
tragbares Gerät, das hergestellt wurde, um das Verhältnis der
Fluorszenz bei 690 und 730 für die photosynthetische Aktivität
(wie in Anspruch 1 und 2 erwähnt) zu messen und den Kautsky
Effekt zu messen, welcher auch eine Reaktion der
photosynthetischen Aktivität ist. Es wird nicht auf die Verwendung der
Vorrichtung zur Bestimmung der Chlorophyllfluoreszenz
photosynthetisch inaktiver Samen und auf die Sortierung von Samen auf
der Grundlage des Chlorophyllfluoreszenzsignals nach Reife und
Qualität verwiesen. Trockene Samen zeigen keine
photosynthetische Aktivität und daher auch keinen Kautsky Effekt.
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Es steht ein destruktives Verfahren zur Verfügung, um die Menge
des Chlorophylls zu bestimmen. Dieses Verfahren basiert auf der
Extraktion und ist international als Standardverfahren für die
Bewertung der Chlorophyllmenge in Rapssamen anerkannt und wird
in J. K. Daun in "Rapeseed - Determinatin of Chlorophyll content
Spectrophotometric method". International Standard
Organisation, Geneva, (1992) ISO Method 10519, beschrieben.
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Dieses Verfahren basiert darauf, daß trockene Samen in einer
mechanischen Mühle vermahlen werden, wonach das Chlorophyll
durch eine Flüssigkeit extrahiert wird. Mittels eines
Spektrophotometers wird ein Absorptionsspektrum in derselben Art, wie
von Tkatchuk et al., beschrieben, jedoch hier durch
Transmission, welches für das Chlorophyll der Flüssigkeit
kenn
zeichnend ist, bei drei verschiedenen Wellenlängen, 625, 665
und 705 nm bestimmt. Aus diesen Daten kann die Menge des
Chlorophylls berechnet werden. Das zuvor erwähnte Verfahren ist
eindeutig destruktiver Natur, da die Samen vermahlen werden. In
der gleichen Art, wie in dem Artikel von Tkatchuk et al.
beschrieben, wird auch dieses Verfahren dazu verwendet, um die
Menge an Chlorophyll zu bestimmen, damit diese so gering wie
möglich im Öl der ausgepreßten Samen vorliegt.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur
Verfügung zu stellen, mittels dessen es möglich wird, Samen im
Hinblick auf ihre Reife und Qualität auf der Grundlage ihrer
Chlorophyllmenge in der Samenhülle zu sortieren, ohne den Samen
zu zerstören. Es ist ferner möglich, im Hinblick auf Brüche in
der Samenhülle auf der Grundlage der Gegenwart von Chlorophyll
im inneren Gewebe des Samens zu sortieren, welches aufgrund der
Brüche aufgedeckt wird. Kennzeichnend für die vorliegende
Erfindung ist die hohe Sensitivität und sehr hohe
Geschwindigkeit, mittels derer die Menge der Chlorophyllfluoreszenz der
Samenhülle und des inneren Gewebes aufgrund der Brüche bestimmt
werden kann. Die Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung zum
Sortieren von Samen im Hinblick auf deren Reife und Qualität
mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit zur Verfügung.
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Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein
nicht-destruktives Verfahren zur Bestimmung der Reife und Qualität von Samen
zur Verfügung, umfassend Bestrahlen desselben mit
elektromagnetischer Strahlung umfassend Wellenlängen, die geeignet sind, um
das photosynthetisch inaktive Chlorophyll des Samens
fluoreszieren zu lassen. Führen des von den Pflanzensamen
zurückkommenden Signals durch einen Filter, welcher Filter
geeignet ist, die Wellenlängen, die zur Erregung des Chlorophylls
des Pflanzensamen benutzt werden, herauszufiltern, um ein
Chlorophyllfluoreszenzsignal zu erhalten, und Messen des
Chlorophyllfluoreszenzsignals.
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Die Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung zum Sortieren von
Pflanzensamen zur Verfügung, welche hauptsächlich aus einem
Zufuhrteil für die Pflanzensamen besteht, einem Teil zur
Bestrahlung der Pflanzensamen mit elektromagnetischer Strahlung,
einer Detektorvorrichtung, zum Analysieren des aus den
Pflanzensamen zurückkommenden Signals, und einem Trennungsteil, das
auf der Grundlage des auf den Pflanzensamen zurückkommenden
Signals funktioniert, wobei die elektromagnetische Strahlung
Wellenlängen umfaßt, die dazu geeignet sind, das
photosynthetisch inaktive Chlorophyll des Pflanzensamens fluoreszieren zu
lassen, wobei die Vorrichtung ferner einen Filter umfaßt, der
in der Lage ist, die Wellenlängen, die zur Erregung des
Chlorophylls benutzt wurden, herauszufiltern, und wobei das Signal,
das von den Pflanzensamen zurückkommt, durch den Filter geführt
wird, um ein Chlorophyllfluoreszenzsignal zu erhalten, welches
Chlorophyllfluoreszenzsignal in dem Detektorbereich gemessen
wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum
Sortieren von Pflanzensamen zur Verfügung, welches die Zufuhr von
jedem einzelnen Pflanzensamen zu einem Strahlungsbereich, die
Bestrahlung des Pflanzensamens in dem Bestrahlungsbereich mit
elektromagnetischer Strahlung, welche in der Lage ist,
photosynthetisch inaktives Chlorophyll in dem Samen zur Fluoroeszenz
anzuregen, das Führen des von dem Pflanzensamen zurückkommenden
Signals durch einen Filter, welcher in der Lage ist, die für
die Erregung des Chlorophylls verwendeten Wellenlängen
herauszufiltern, um ein Chlorophyllfluoreszenzsignal zu erhalten, und
das Auftrennen der Samen in verschiedene Klassen auf der
Grundlage ihrer einzelnen Fluroeszenzsignale umfaßt, wobei die
Werte, die die Klassen definieren, auf der Grundlage der
Verteilung der Chlorophyllfluoreszenzsignale einer Probe von Samen
bekannter Eigenschaften ausgewählt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr gut in Vorrichtungen
durchgeführt werden, die oben beschrieben wurden, mit dem
Merk
mal, daß die elektromagnetische Strahlung eine solche
Wellenlänge auf weist, daß das in den Samen vorliegende Chlorophyll
unmittelbar Fluoreszenz zeigt, wobei die Fluoreszenz mittels
des Detektors gemessen wird.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf einer Fluoreszenzmessung,
die hoch spezifisch für Chlorophyll ist. Andere Verbindungen,
welche die Farbe des Samens beeinflussen, jedoch nicht
fluoreszieren, werden nicht mit der Messung interferieren. Die
Erfindung ermöglicht es ferner, daß kleine Unterschiede in der
Chlorophyllmenge der Samenhülle gezeigt werden können. Dies
liegt daran, daß die Fluoreszenzmessung wesentlich
empfindlicher als eine Farbmessung ist.
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Das Sortieren auf Grundlage der grünen Farbe und daher im
Hinblick auf die Chlorophyllmenge der Samenhülle ist mit einem
Farbsortierer sehr schwierig. Die Genauigkeit der
Farbsortierung hängt üblicherweise von der Genauigkeit der Messung ab.
Bei einer Farbsortierung können lediglich Samen mit einer
deutlichen Differenz in grüner Farbe oder großen Brüchen in der
Samenhülle sortiert werden. Mit einer
Farbsortierungsvorrichtung ist es nicht möglich, zwischen reifen und unreifen Samen
zu unterscheiden, wenn die Samen kleine oder keine Unterschiede
in der Menge an grüner Farbe aufweisen und/oder wenn die Samen
kleine Brüche in der Samenhülle auf weisen. Samen mit geringer
Menge grüner Farbe und kleinen Brüchen werden daher als gut
klassifiziert. Für eine Farbmessung auf Grundlage der grünen
Farbe ist es nicht ausreichend, die Absorption bei 670 nm zu
messen. Eine Veränderung in der Absorption um 670 nm kann auch
aufgrund einer Veränderung der Konzentration einer oder
mehrerer anderer Substanzen in der Samenhülle erfolgen, welche mit
dem Absorptionssignal des Chlorophylls bei etwa 670 nm
interagieren. Dies ist der Grund dafür, daß man verschiedene
Wellenlängen verwenden muß.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Unterschied in der
Chlorophyllmenge, die in der Samenhülle einzelner Samen
vorliegt, unmittelbar nachweisbar und dies ist sogar in den Fällen
möglich, in denen die Hüllen für das menschliche Auge
vollständig einheitlich in der Farbe sind. Samen verschiedener Reife
können dieselbe Farbe für das menschliche Auge auf weisen,
jedoch verschiedene Chlorophyllmengen. Dieses Chlorophyll im
Samen ist photosynthetisch inaktiv, da der Metabolismus des
Samens nach dem Trocknungsprozeß anhält. Entgegen den Blättern
und den meisten feuchten Früchten, zeigen Samen keine
sogenannte "variable Fluoreszenz", welche auf photosynthetischer
Aktivität begründet ist. Die allgemein verwendeten
Chlorophyllfluoreszenzvorrichtungen (z. B. das Pulse Amplitude Modulated
Fluorometer von U. Schreiber, beschrieben in "Detection of rapid
induction kinetics with a new type of high frequency modulated
Chlorophyll fluorometer", Photosynthesis Research (1986),
9: 261-272), werden dazu hergestellt, um photosynthetisch aktive
Chlorophyllfluoreszenz zu bestimmen. In der Literatur liegen
keine Daten über die Messung der Menge der
Chlorophyllfluoreszenz in Abhängigkeit der Reife der Samen oder der Gegenwart von
Brüchen in der Samenhülle vor. Ein geeignetes Verfahren zur
Bestimmung des Chlorophylls besteht in der Bestrahlung des
Chlorophyll-Moleküls mit elektromagnetischer Strahlung,
vorzugsweise mit blauem oder/orange/rotem Licht, wodurch das
Chlorophyllmolekül elektronisch erregt wird. Die angeregten
Moleküle verlieren ihre Energie hauptsächlich durch Hitzeabgabe und
etwa 3% mittels Emission von Fluoreszenz, die vorzugsweise im
weiten Rot-Bereich gemessen wird. Die Messung wird vorzugsweise
so durchgeführt, daß die ausgesendete elektromagnetische
Strahlung eine Wellenlänge von etwa 435, 650 oder 670 nm aufweist
und die Fluoreszenz vorzugsweise bei etwa 690 oder 730 nm
gemessen wird.
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Wenn die Intensität der Fluoreszenz jedes einzelnen Samens
gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird, kann der Samen
anschließend im Hinblick auf seine Reife und Qualität sortiert
werden. Im allgemeinen sind Samen mit einer hohen Intensität an
Chlorophyllfluoreszenz entweder unreif oder/und weisen Brüche
in der Samenhülle auf.
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Die Erfindung ist sehr empfindlich, vollständig
nicht-destruktiv und sehr schnell. Diese Eigenschaften der Erfindung
ermöglichen es, eine Sortierungsvorrichtung herzustellen, mittels
derer Samen auf der Grundlage der Menge der
Chlorophyllfluorszenz ausgewählt werden können. Da die Intensität der
Chlorophyllfluoreszenz unmittelbar mit der Reife und der Gegenwart
von Brüchen in der Samenhülle und damit der Qualität des Samens
zusammen hängt, ist es jetzt möglich, Samen im Hinblick auf
ihre Qualität zu sortieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner zur Sortierung von
Samen genutzt werden, welche für die Extraktion von Öl
verwendet werden. Für die Qualität des Öls, das aus den Samen
extrahiert wird, ist es wichtig, daß die Menge des Chlorophylls so
gering wie möglich ist. Chlorophyll reduziert die Ölqualität
und muß daher mittels bestimmter Extraktionsverfahren aus dem
Öl entfernt werden Mit der vorliegenden Erfindung können Samen
auf der Grundlage der Chlorophyllmenge sortiert werden, wodurch
nur Samen mit einer geringen Chlorophyllmenge für die
Extraktion des Öls verwendet werden.
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Für eine gute und konstante Qualität von Kaffee werden die
Bohnen im Hinblick auf ihre Farbe sortiert. Dieses Sortieren
muß zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, zu dem die Bohnen
noch feucht sind. Feuchte Bohnen sind jedoch gegenüber einer
Störung empfindlicher als trockene Bohnen. Mit der vorliegenden
Erfindung können Kaffeebohnen auf der Grundlage der
Chlorophyllmenge sortiert werden, nachdem diese getrocknet
wurden. Dies ermöglicht es, die Kaffeebohnen unmittelbar nach
der Ernte zu trocknen, wodurch die Chance, daß die Bohnen
verderben, verringert wird.
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Die vorliegende Erfindung ist für die meisten Arten von Samen
von gartenbaulichen Nutzpflanzen, landwirtschaftlichen
Nutzpflanzen, Schmuckpflanzen, Waldpflanzen und anderen Samen, wie
in Nüssen, Körnern oder Bohnen geeignet. Die Erfindung
funktioniert bei allen Samen, in denen Chlorophyll während des
Reifungsprozesses abgebaut wird. Die Erfindung funktioniert ferner
zum Nachweis von Brüchen in der Samenhülle bei Samen, in
welchen das unter den Brüchen liegende Gewebe Chlorophyll enthält.
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Es ist bevorzugt, eine Fluoreszenzmessung mit der in Fig. 1
gezeigten Vorrichtung durchzuführen. Dabei handelt es sich um
eine einfache Darstellung, wie die Vorrichtung konstruiert sein
kann. Die elektromagnetische Strahlung kann u. a. mittels eines
LED oder eines Lasers induziert werden. Das Licht von
beisielsweise einem LED, das über eine LED Energiezufuhr kontrolliert
wird, weist eine maximale Emission bei 650 nm auf, mit einer
halben Brandbreite von 22 nm und wird durch einen engen Filter
bei 656 nm mit einer halben Bandbreite von 10 nm gefiltert. Der
Strahlenteiler reflektiert etwa 50% des LED-Lichtes auf die
Linse, welche das Licht auf den Samen konzentriert. Die
Chlorophyllfluoreszenz wird durch dieselbe Linse eingefangen. Mit dem
Filter wird sichergestellt, daß nur Fluoreszenz von etwa 730 nm
von der Photodiode gemessen wird. Der Lock-in-Verstärker
verändert das LED-Licht mit einer Veränderungstiefe von 100% und
einem Arbeitszyklus von 50% bei einer geeigneten Frequenz. Die
Fluoreszenz wird dadurch in derselben Frequenz verändert. Der
geänderte Strom der Photodiode wird in ein Signal überführt,
das proportional zur Intensität der Fluoreszenz ist. Bei
Verwendung eines Lasers als Strahlungsquelle, wird natürlich
dasselbe eingesetzt.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, daß es jetzt möglich ist,
das Verfahren mittels einer handlichen, transportierbaren
Vorrichtung durchzuführen, wodurch die Verteilung der Reife einer
Probe in einer Charge von Samen zur Qualitätsermittlung
bestimmt werden kann, beispielsweise, ob die Samen ausreichend
gut für die Ernte sind. Dies kann an der Stelle durchgeführt
werden, an der die Samen gezogen wurden. Es muß nicht mehr
mittels Auge oder durch "Gefühl" oder zu einem bestimmten
Zeitpunkt nach Bestäubung durchgeführt werden. Aufgrund von
Wettereinflüssen kann es vorkommen, daß es notwendig sein wird,
eher oder später zu ernten.
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Die Erfindung kann ferner in Vorrichtung zur Sortierung von
Samen angewendet werden. Die Erfindung kann in alle Arten von
Sortierungsvorrichtungen eingebaut werden. Die Erfindung ist
insbesondere in den bekannten Farbsortiervorrichtungen
anwendbar. Die Lichtquelle kann durch die elektromagnetische
Strahlungsquelle ersetzt werden (beispielsweise durch LED oder
einen Laser) und das Farbmessgerät durch eine Photodiode.
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Die Erfindung wird nunmehr durch mehrere Beispiele dargelegt.
Beispiele
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In den folgenden Beispielen wurde die Chlorophyllfluoreszenz
der Samenhülle jedes einzelnen Samens erfindungsgemäß bestimmt.
Untersuchungen wurden mit Samen von weißem Kohl (Brassica
oleracea), Zuckerrübensamen (Beta vulgaris), poliertem
Zuckerrübensamen (Beta vulgaris), desinfizierten Möhrensamens (Daucus
carota), Peffersamen (Capsicum annuum) und Tomatensamen
(Lycopersicon esculentum). Durch beschriebene Erfindung wurden
Verbesserungen in der Keimung der Samen und der Nutzbarkeit der
Transplantate erzielt, d. h. der Anzahl an Sämlingen, die sich
zu normalen Pflanzen entwicklen.
Beispiel 1
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Mit der vorliegenden Erfindung wurde die Chlorophyllfluoreszenz
von 1500 weißen Kohlsamen (Brassica oleracea) cv. "Bartolo F1"
einzeln gemessen und diese wurden auf der Grundlage der
Verteilung der Fluoreszenz in zwei Klassen aufgeteilt. Die
Verteilung in die zwei Klassen wird in Tabelle 1 dargestellt. Die
Untersuchungen zur Keimung wurden ausgeführt, indem die Samen
auf feuchtes Filterpapier auf einer Petrischale bei einer
Temperatur von 20ºC gebettet und mit einer transparenten Schicht
überdeckt wurden, bei 12 Stunden Dunkelheit und 12 Stunden
Licht. Die Samen wurden bei Erscheinen der Wurzelspitze visuell
inspiziert, wonach die Keimungsgeschwindigkeit, t&sub5;&sub0;, berechnet
wurde. Nach 5 und 10 Tagen wurden die Sämlinge gemäß den
Standardregeln der ISTA bewertet, welche in "International Ruies
for Seed Testing 1993", Seed Science and Technology 21, 1993
beschrieben wurden (Tabelle 1). Die Samen in den Klassen
geringer Fluoreszenz keimten zu 100% mit 98% normalen Sämlingen im
Vergleich zu respektive 68% und 24% für die höhere Klasse.
Diese Verbesserung in der geringeren Klasse im Vergleich zur
Kontrolle ist klein, da die höhere Klasse lediglich aus 1,8%
der ursprünglichen Population besteht. Die Ergebnisse zeigen,
daß kommerziell erhältliche Brassica Samen sehr hoher Qualität
verbessert werden konnten und, daß die Samen geringer Qualität
ausgewählt wurden, obwohl es sich dabei um eine kleine
Teilmenge der Charge der Samen handelte. Die Keimung konnte
verbessert werden, bei den Kontrollen von 99,4% auf 100% und
bei den normalen Sämlingen von 96,7 auf 98%.
Tabelle 1
Beispiel 2
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Die Untersuchungen wurden in derselben Art, wie in Beispiel 1
beschrieben, ausgeführt, jedoch jetzt für 700 Weißkohlsamen
(Brassica oleracea) cv. "Megaton F1". Die Samen in der geringen
und hohen Klasse ergaben gleiche Keimung von 100%, wobei die
geringe Klasse eine Verbesserung des Prozentsatzes der normalen
Sämlinge erzielte. Die Keimungsgeschwindigkeit sowohl der hohen
und geringen Klasse waren etwa gleich. Die Verbesserung dieser
Charge von Samen sehr hoher Qualität ergibt sich nicht aus den
unmittelbaren Keimungsdaten, resultiert jedoch aus der
Verbesserung und des Aussehens der Sämlinge. Von der geringen
Klasse wiesen nur 8% gelbe Punkte auf ihren Cotyledonen auf,
während bei der hohen Klasse dies zu etwa 26% der Fall war. Die
Ergebnisse zeigen, daß auch für Brassica Samen sehr hoher
Qualität die Selektion im Hinblick auf die Qualität verbessert
werden kann.
Tabelle 2 Qualität des Weißkohl Samens vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 2 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluorszenz
Beispiel 3
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Diese Untersuchung wurde in derselben Art, wie für Beispiel 1
beschrieben, ausgeführt, jedoch diesmal für 700 Weißkohlsamen
(Brassica oleracea) cv. "Transam F1". Die Samen in der Klasse
geringer Chlorophyllfluoreszenz ergaben eine Keimung von 99%,
während die Keimung der hohen Klasse 68% ergab. Es bestand
ferner ein großer Unterschied bei den normalen Sämlingen
zwischen der geringen und hohen Klasse, 88% im Vergleich zu
48%. Ferner war eine Verbesserung in der Geschwindigkeit der
Keimung zwischen der geringen und hohen Klasse zu beobachten.
Diese Ergebnisse zeigen, daß auch für diese Züchtung von
Brassica Samen die Qualität basierend auf der Auswahl über die
Menge der Chlorophyllfluoreszenz verbessert werden könnte.
Tabelle 3 Qualität des Weißkohl Samens vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 2 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluoreszenz
Beispiel 4
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Diese Untersuchung wurde in derselben Art, wie in Beispiel 1
beschrieben, ausgeführt, jedoch jetzt für 1180 Weißkohlsamen
(Brassica oleracea) aufgeteilt in 4 Klassen. Die Samen der
Klassen mit sehr geringer Fluoreszenz erzeugten eine Keimung
von 100%, wobei alle Sämlinge normal waren. Die Geschwindigkeit
der Keimung in dieser Klasse war viel besser als die anderer
Klassen und der Kontrollen. Es bestand ein negativer
Zusammenhang zwischen der Menge der Chlorophyllfluoreszenz und dem
Prozentsatz der Sämlinge und ein positiver Zusammenhang
zwischen der Menge der Chlorophyllfluoreszenz und der
Geschwindigkeit der Keimung. Die Qualität der Samen steigt mit
abnehmender relativer Menge an Chlorophyll. Die Ergebnisse zeigen,
daß die Qualität kommerziell erhältlicher Brassica Samen
verbessert werden konnten. Die Keimung konnte bei den Kontrollen
von 95,6 auf 100% und der Prozentsatz der normalen Sämlinge von
89,7 auf 100% verbessert werden.
Tabelle 4 Qualität des Weißkohlsamens vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 4 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluoreszenz
Beispiel 5
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde die
Chlorophyllfluoreszenz von 500 Zuckerrubensamen (Beta vulgaris) einzeln
gemessen und diese wurden nachfolgend auf Grundlage der
Verteilung der Fluoreszenz in 2 Klassen aufgeteilt. Die Verteilung
der 2 Klassen wird in Tabelle 5 dargestellt. Der Unterschied zu
den Kohlsamen des vorhergehenden Beispiels besteht darin, daß
Zuckerrübensamen in einer Hülle eingekapselt sind, von welcher
die Chlorophyllfluoreszenz bestimmt wurde. Die Untersuchungen
zur Keimung wurden ausgeführt, indem die Samen zunächst mit
Thiram desinfiziert wurden, anschließend 4 Stunden mit
Leitungswasser bei 25ºC gewaschen und bei derselben Temperatur
getrocknet wurden. Als nächster Schritt wurden die Samen
zwischen angefeuchtete, platierte Filterpapierpe in Plastikschalen
in einen Keimungsschrank bei einer Temperatur von 20ºC im
Dunklen gelegt. Die Samen wurden visuell auf das Erscheinen der
Wurzelspitzen hin inspiziert, wonach die
Keimungsgeschwindigkeit t&sub5;&sub0;, gemessen wurde (Tabelle 5). Nach 7 und 14 Tagen wurden
die Sämlinge entsprechend den Standard ISTA Regeln bewertet,
welche in "International Ruies for Seed Testing 1993", Seed
Science and Technology 21, 1993, beschrieben wurden (Tabelle
5). Die Samen in der Klasse mit geringer Fluoreszenz erzeugten
eine Keimung von 97,5%, während die Keimung der hohen Klasse
90% betrugt. Es bestand ferner ein großer Unterschied zwischen
dem Prozentsatz normaler Sämlinge in der geringen und hohen
Klasse, respektive 95% und 96%. Die Geschwindigkeiten der
Keimung waren bei der geringen und hohen Klasse gleich. Die
Ergebnisse zeigen, daß auch bei Zuckerrübensamen, bei denen die
Chlorophyllfluoreszenz der Hülle des Zuckerrübensamens bestimmt
wurde, die Qualität der Sortierung verbessert werden konnte.
Tabelle 5 Qualität der Zuckerrübensamen vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 2 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluoreszenz
Beispiel 6
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Diese Untersuchung wurde in derselben Art wie in Beispiel 5
ausgeführt, wobei 900 Zuckerrübensamen (Beta vulgaris)
verwendet wurden, mit dem Unterschied, daß diese Samen poliert waren.
Die Auswahl der Klassen entsprach der in Beispiel 5. Die Samen
in der Klasse mit geringer Fluoreszenz erzeugten eine Keimung
von 98%, während die Keimung der hohen Klasse 92% betrugt. Es
bestand ferner ein ausgeprägter Unterschied zwischen dem
Prozentsatz normaler Sämlinge in der tiefen und hohen Klasse,
respektive 97 und 90%. Die Geschwindigkeit der Keimung der
beiden Klassen war etwa gleich. Die Ergebnisse zeigen, daß auch
bei poliertem Zuckerrübensamen die Qualität durch Sortierung
verbessert werden konnte.
Tabelle 6
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Qualität des polierten Zuckerrübensamens vor dem Sortieren
(Kontrolle) und nach Sortieren in 2 Klassen unter Verwendung
der Chlorophyllfluoreszenz
Beispiel 7
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde die
Chlorophyllfluoreszenz der Hülle von 700 Karottensamen (Daucus
carota) cv. "Amsterdam" einzeln bestimmt und die Samen wurden
anschließend auf Grundlage der Verteilung der Fluoreszenz in 2
Klassen eingeteilt. Die Verteilung auf die 2 Klassen wird in
Tabelle 7 gezeigt. Der Hauptunterschied zu den vorher stehenden
Beispielen bestand darin, daß die Samen mit Thiram desinfiziert
wurden, wodurch sie eine orange Farbe erhielten. Untersuchungen
zur Keimung wurden durchgeführt, indem die Samen zunächst für
3 Tage bei einer Temperatur von 10ºC in Wasser getaucht wurden.
Anschließend wurden die Samen auf feuchtes Filterpapier in
Plastikschalen in einen Keimungsschrank bei einer wechselnden
Temperatur von 20ºC-30ºC plaziert, bei 20ºC im Dunklen (16
Stunden) und 30ºC im Licht (8 Stunden). Die Samen wurden bei
Erscheinen der Wurzelspitze visuell inspiziert, wonach die
Geschwindigkeit der Keimung, t&sub5;&sub0;, berechnet wurde (Tabelle 7).
Nach 7 und 14 Tagen wurden die Sämlinge nach den Standard ISTA-
Regeln bewertet, welche in "International Ruies for Seed
Te
sting 1993", Seed Science and Technology 21, 1993, beschrieben
werden (Tabelle 5). Die Samen in der Klasse mit geringer
Fluoreszenz resultierten in einer Keimung von 97%, während die
Keimung der hohen Klase 91% betrug. Es wurde ferner eine
Verbesserung des Prozentsatzes der normalen Sämlinge festgestellt,
von der geringen Klasse im Hinblick auf die hohe Klasse,
respektive 95 und 85%. Es wurde ferner festgestellt, daß die
Samen der geringen Klasse im Hinblick auf die Geschwindigkeit
der Keimung eine bessere Qualität als die der hohen Klasse
aufwiesen. Diese Ergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäße
Verfahren eine Verbesserung der Möhrensamen, die mit einem
Desinfektionsmittel behandelt wurden, ermöglicht.
Tabelle 7 Qualität desinfizierter (Thiram) Möhrensamen vor dem Sortieren
(Kontrolle) und nach Sortieren in 2 Klassen unter Verwendung
der Chlorophyllfluoreszenz
Beispiel 8
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde die
Chlorophyllfluoreszenz von 500 Pfeffersamen (Capsicum anuum) cv. "Flair
F1" einzeln bestimmt und die Samen wurden anschließend auf der
Grundlage der Verteilung der Fluoreszenz in 2 Klassen
aufgeteilt. Die Verteilung auf die 2 Klassen ist in Tabelle 8
dargestellt. Die Untersuchungen zur Keimung wurden auf mit
einer Lösung aus Wasser mit 0,2% KNO&sub3; angefeuchtetem
Filterpapier in Plastikschalen in einem Keimungsschrank bei wechselnder
Temperatur von 20ºC-30ºC durchgeführt, bei 20ºC im Dunklen (16
Stunden) und 30ºC im Licht (8 Stunden). Die Samen und Sämlinge
wurden in der in Beispiel 7 beschriebenen Art bewertet. Der
Unterschied zu den Samen der vorstehenden Beispiele besteht
darin, daß Pfeffersamen von einer Frucht umgeben ist, die auch
dann noch feucht ist, wenn der Samen reif ist. Entgegen den
vorstehenden Beispielen, in denen die Früchte, die die Samen
umgeben, austrocknen und die Samen im trockenen Zustand
physiologisch inaktiv sind. Aufgrund der feuchten Umgebung kann der
Pfeffersamen physiologisch aktiv sein. Sofern die Pfeffersamen
nicht zum richtigen Zeitpunkt nach vollständiger Reife
getrocknet werden, kann die Qualität Schaden nehmen. Die Samen in der
Klasse mit geringer Fluoreszenz erzielten eine Keimung von
99,5%, während die Keimung der hohen Klasse 100% betrug. Es
fand sich auch ein kleiner Unterschied im Prozentsatz der
normalen Sämlinge zwischen der geringen und hohen Klasse,
respektive 96 und 98%. Der Unterschied in der Keimungsgeschwindigkeit
zwischen den beiden Klassen war sehr gering. Es wurde
festgestellt, daß die Gesundheit der Samen aus der hohen Klasse
besser als bei der geringen Klasse war: Respektive 2,5 und 27%
Infektion (Alternaria) auf der Samenhülle. Bei der Auswahl der
Klassen ist es hier offenbar der Fall, daß die hohe Klasse
bessere Qualität aufweist als die geringe Klasse. Dies wird
wahrscheinlich durch die Tatsache verursacht, daß die
Wahrscheinlichkeit einer Infektion durch Mikroflora steigt, wenn
die Samen für einen längeren Zeitraum einer feuchten Umgebung,
der Frucht, ausgesetzt werden, die Ergebnisse der Keimung
zeigen, daß die beiden Klassen bereits vollständig gereift waren,
aber das aufgrund der verlängerten Reifung die
Wahrscheinlichkeit einer Infektion steigt.
Tabelle 8 Qualität von Pfeffersamen vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 2 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluorszenz
Beispiel 9
-
Diese Untersuchung wurde in derselben Art, wie in Beispiel 8
beschrieben, ausgeführt, jedoch unter Verwendung von 600
Pfeffersamen (Capsicum anuum) cv. "Kelvin F1", die nach
Bestimmung der Chlorophyllfluoreszenz in 3 Klassen eingeteilt wurden.
Die Samen in der Klasse mit geringer Fluoreszenz erzeugten eine
Keimung von 98%, während die Keimung der mittleren und hohen
Klasse 100% betrug. Es gab ferner eine Verbesserung im
Prozentsatz der normalen Sämlinge: respektive 100, 97,5 und 92% für
die hohe, mittlere und tiefe Klasse. Bei keiner Klasse wurden
Infektionen beobachtet. Durch Sortierung der Samen in die 3
Klassen erschien es, daß die geringe Klasse eine geringere
Qualität als die mittlere Klasse aufwies und die hohe Klasse
geringfügig besser in der Qualität als die mittlere Klasse war.
Die Samen dieser beiden Klassen waren fast von gleicher
Qualität.
Tabelle 9 Qualität der Pfeffersamen vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 3 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluoresenz
Beispiel 10
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde die
Chlorophyllfluoreszenz von 500 Tomatensamen (Lycopersicon esculentum) cv.
"Tanaki" einzeln bestimmt und diese wurden auf Grundlage der
Verteilung der Fluoreszenz in 3 Klassen eingeteilt. Die
Verteilung auf die 3 Klassen wird in Tabelle 10 gezeigt. Die
Untersuchungen zur Keimung wurden in einer Lösung aus Wasser mit
0,2% KNO&sub3; in angefeuchtetem Filterpapier in Plastikschalen in
einem Keimungsschrank bei einer ändernden Temperatur von 20ºC-
30ºC durchgeführt, bei 20ºC im Dunklen (16 Stunden) und bei
30ºC im Licht (8 Stunden). Die Samen und die Sämlinge wurden im
Hinblick auf die Geschwindigkeit der Keimung, 150, bewertet,
wobei die Berechnung wie in Beispiel 7 beschrieben,
durchgeführt wurde. Wie bei den Pfeffersamen bleibt auch Tomatensamen
nach der Reifung in einer feuchten Frucht. Nach vollständiger
Reifung kann die Qualität des Tomatensamens abnehmen, wenn
dieser nicht im richtigen Moment vollständig getrocknet wird.
Aus der Tabelle geht hervor, daß die mittlere Klasse Samen mit
der höchsten Qualität enthält. Dies ist das Ergebnis aus der
Geschwindigkeit der Keimung und den normalen Sämlingen. Die
geringe Klasse war von geringerer Qualität und die Qualität der
hohen Klasse war noch geringer. Aus den Ergebnissen kann
gefolgert werden, daß mit der Erfindung Klassen erzeugt werden
konnten, wobei die höchste Qualität bei den Tomatensamen der
mittleren Klasse erzielt wurde und diese im Vergleich zu den
Kontrollen verbessert werden konnte.
Tabelle 10 Qualität der Tomatensamen vor dem Sortieren (Kontrolle) und
nach Sortieren in 3 Klassen unter Verwendung der
Chlorophyllfluoreszenz
Beispiel 11
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Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Messungen der
Chlorophyllfluoreszenz bei Tomatensamen (Lycopersicon esculentum) cv.
"Moneymaker", die von R. H. Ellis, Department of Agriculture,
University of Reading, Early Gate, PO Box 236, Reading RG6,
2AT, UK bereitgestellt wurden und in I. Demir und R. H. Ellis in
"Changes in seed quality during seed development and maturation
in tomato", Seed Science Research (1992), 2, 81-87 beschrieben
wurden. Die Samen wurden zu verschiedenen Reifephasen geerntet,
d. h. zu verschiedenen Zeiten nach der Bestäubung. Demir et al.
haben festgestellt, daß die Keimung normaler Sämlinge der 1.
und 2. Fruchttraube vergleichbar war, während die Samen der 3.
Fruchttraube etwa 10 Tage früher reiften. Aufgrund der
Untersuchung der Chlorophyllfluoreszenz erschien es, daß die 1. und
2. Fruchttraube vergleichbare Signale erzeugten (Fig. 2) und
daher ähnliche Reife zu gleichen Tagen nach Bestäubung
aufwiesen. Die Samen der 3. Fruchttraube waren etwa 10 Tage weiter in
der Reife. Dies stimmt gut mit den Ergebnissen überein, die von
Demir et al. erhalten wurden. Die Tomatensamen wurden 1989/90
geerntet, was zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch
nach 5 Jahren noch durchgeführt werden konnte.
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Die Ergebnisse zeigen, daß die Reife der Tomatensamen bestimmt
werden konnten und eine Begründung für den Unterschied in der
Keimung der Tomatensamen der 1./2. Fruchttraube und der 3.
Fruchttraube gefunden wurde.