Welche Pflanzen überleben Dürren, Klimawandel?

Dürren verschlimmern sich auf der ganzen Welt und stellen Pflanzen in allen Ökosystemen vor große Herausforderungen, sagte Lawren Sack, Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der UCLA und leitender Autor der Forschung. Wissenschaftler diskutieren seit mehr als einem Jahrhundert, wie man vorhersagen kann, welche Arten am anfälligsten sind.


Verwelkte Baumblätter in einem hawaiianischen Wald während der extremen Dürre von 2010-11, die die schlimmste seit mindestens 11 Jahren war und vom Bund als Naturkatastrophe eingestuft wurde. Der Baum ist ein Alahee (Psydrax odorata). Bildquelle: Faith Inman-Narahari

Sack und zwei Mitarbeiter seines Labors haben eine grundlegende Entdeckung gemacht, die diese Debatte löst und die Vorhersage ermöglicht, wie verschiedene Pflanzenarten und Vegetationstypen weltweit die Dürre tolerieren werden, was angesichts der Bedrohungen durch den Klimawandel kritisch ist, sagte er.


Die Forschung ist derzeit in der Online-Ausgabe von Ecology Letters, einer renommierten Ökologie-Zeitschrift, verfügbar und wird in einer kommenden Printausgabe veröffentlicht.

Warum verwelkt und vertrocknet eine Sonnenblume schnell, wenn der Boden trocknet, während die einheimischen Chaparral-Sträucher Kaliforniens mit ihren immergrünen Blättern lange Trockenzeiten überstehen? Da an der Bestimmung der Trockenheitstoleranz von Pflanzen viele Mechanismen beteiligt sind, gab es unter Pflanzenwissenschaftlern heftige Debatten darüber, welches Merkmal am wichtigsten ist. Das von der National Science Foundation finanzierte UCLA-Team konzentrierte sich auf ein Merkmal namens „Turgorverlustpunkt“, von dem noch nie zuvor bewiesen wurde, dass er die Dürretoleranz bei Pflanzenarten und Ökosystemen vorhersagt.

Ein grundlegender Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren besteht darin, dass Pflanzenzellen von Zellwänden umgeben sind, während dies bei tierischen Zellen nicht der Fall ist. Um ihre Zellen funktionsfähig zu halten, sind Pflanzen auf den „Turgordruck“ angewiesen – Druck, der in den Zellen durch das innere Salzwasser erzeugt wird, das gegen die Zellwände drückt und sie hochhält. Wenn Blätter ihre Poren oder Spaltöffnungen öffnen, um Kohlendioxid für die Photosynthese einzufangen, verlieren sie eine beträchtliche Menge dieses Wassers durch Verdunstung. Dies entwässert die Zellen und führt zu einem Druckverlust.

Bei Trockenheit wird das Wasser der Zelle schwerer zu ersetzen. Der Turgorverlustpunkt wird erreicht, wenn Blattzellen einen Punkt erreichen, an dem ihre Wände schlaff werden; Dieser Turgorverlust auf Zellebene führt dazu, dass das Blatt schlaff und welken wird und die Pflanze nicht wachsen kann, sagte Sack.




Verwelkte Baumblätter im hawaiianischen Wald während der extremen Dürre von 2010-11, die die schlimmste seit mindestens 11 Jahren war und vom Bund als Naturkatastrophe eingestuft wurde. Dieser Baum ist ein Sandelholz (Santalum paniculatum). Bildquelle: Faith Inman-Narahari

„Das Austrocknen des Bodens kann dazu führen, dass die Zellen einer Pflanze den Turgorverlustpunkt erreichen, und die Pflanze wird vor die Wahl gestellt, entweder ihre Spaltöffnungen zu schließen und den Hungertod zu riskieren oder mit welken Blättern Photosynthese zu betreiben und ihre Zellwände und Stoffwechselproteine ​​zu beschädigen“, sagte Sack. „Um Dürretoleranter zu sein, muss die Pflanze ihren Turgorverlustpunkt ändern, damit ihre Zellen ihren Turgor auch bei trockener Erde behalten können.“

Die Biologen zeigten, dass dürretolerantere Pflanzen in Ökosystemen und auf der ganzen Welt niedrigere Turgorverlustpunkte aufweisen; sie konnten ihren Turgor trotz trockeneren Bodens aufrechterhalten.

Das Team löste auch weitere jahrzehntelange Kontroversen und widerlegte die lang gehegten Annahmen vieler Wissenschaftler über die Merkmale, die den Turgorverlustpunkt und die Dürretoleranz bestimmen. Es wurde angenommen, dass zwei Eigenschaften im Zusammenhang mit Pflanzenzellen den Turgorverlustpunkt der Pflanzen beeinflussen und die Trockenheitstoleranz verbessern: Pflanzen können ihre Zellwände steifer machen oder sie können ihre Zellen salziger machen, indem sie sie mit gelösten Stoffen beladen. Viele prominente Wissenschaftler haben sich der Erklärung der „steifen Zellwand“ zugewandt, weil Pflanzen in Trockengebieten rund um den Globus dazu neigen, kleine, zähe Blätter zu haben. Steife Zellwände könnten es dem Blatt ermöglichen, das Welken zu vermeiden und in Trockenzeiten sein Wasser zu halten, argumentierten die Wissenschaftler. Über den Salzgehalt von Zellen für Pflanzen auf der ganzen Welt war wenig bekannt.


Das UCLA-Team hat nun schlüssig nachgewiesen, dass es die Salzigkeit des Zellsaftes ist, die die Dürretoleranz zwischen den Arten erklärt. Ihr erster Ansatz war mathematisch; Das Team hat die grundlegenden Gleichungen, die das Welkeverhalten bestimmen, erneut untersucht und zum ersten Mal gelöst. Ihre mathematische Lösung wies auf die Bedeutung von salzigerem Zellsaft hin. Salzigerer Zellsaft in jeder Pflanzenzelle ermöglicht es der Pflanze, den Turgordruck während trockener Zeiten aufrechtzuerhalten und bei Dürre die Photosynthese und das Wachstum fortzusetzen. Die Gleichung zeigte, dass dicke Zellwände nicht direkt zur Verhinderung des Welkens beitragen, obwohl sie indirekte Vorteile bieten, die in einigen Fällen wichtig sein können – Schutz vor übermäßigem Zellschrumpfen und vor Schäden durch Elemente oder Insekten und Säugetiere.

Das Team sammelte auch zum ersten Mal Daten zu Dürretoleranzmerkmalen für Arten weltweit, die ihr Ergebnis bestätigten. Bei allen Arten in geografischen Gebieten und auf der ganzen Welt korrelierte die Trockenheitstoleranz mit der Salzigkeit des Zellsafts und nicht mit der Steifheit der Zellwände. Tatsächlich wurden Arten mit steifen Zellwänden nicht nur in Trockengebieten, sondern auch in feuchten Systemen wie Regenwäldern gefunden, denn auch hier bevorzugt die Evolution langlebige Blätter, die vor Schäden geschützt sind.

Die Feststellung der Zellsalzigkeit als Hauptgrund für die Dürretoleranz beseitigte große Kontroversen und öffnete den Weg für Vorhersagen, welche Arten durch den Klimawandel dem Aussterben entgehen könnten, sagte Sack.

„Das in den Zellen konzentrierte Salz hält das Wasser fester und ermöglicht es Pflanzen direkt, ihren Turgor während einer Dürre aufrechtzuerhalten“, sagte Forschungskoautorin Christine Scoffoni, eine Doktorandin der UCLA in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie.


Die Rolle der steifen Zellwand war schwer zu fassen.

„Wir waren überrascht zu sehen, dass eine steifere Zellwand die Trockenheitstoleranz tatsächlich etwas reduzierte – entgegen der landläufigen Meinung –, aber dass viele dürretolerante Pflanzen mit viel Salz auch steife Zellwände hatten“, sagte Hauptautorin Megan Bartlett, eine Absolventin der UCLA Studentin im Fachbereich Ökologie und Evolutionsbiologie.

Dieser scheinbare Widerspruch wird durch das sekundäre Bedürfnis von trockenheitstoleranten Pflanzen erklärt, ihre dehydrierenden Zellen vor dem Schrumpfen zu schützen, wenn sie den Turgordruck verlieren, sagten die Forscher.

„Obwohl eine steife Wand den Zellturgor nicht aufrechterhält, verhindert sie, dass die Zellen schrumpfen, wenn der Turgor abnimmt und im Wasser hält, sodass die Zellen selbst am Turgorverlustpunkt immer noch groß und hydratisiert sind“, erklärte Bartlett. „Die ideale Kombination für eine Pflanze ist also eine hohe Konzentration an gelösten Stoffen, um den Turgordruck aufrechtzuerhalten, und eine steife Zellwand, um zu verhindern, dass sie zu viel Wasser verliert und schrumpft, wenn der Wasserdruck der Blätter sinkt. Aber auch trockenheitsempfindliche Pflanzen haben oft dicke Zellwände, denn die zähen Blätter sind auch ein guter Schutz vor Pflanzenfressern und alltäglichen Abnutzungserscheinungen.“

Obwohl das Team zeigte, dass Turgorverlustpunkt und salziger Zellsaft eine außergewöhnliche Fähigkeit haben, die Trockenheitstoleranz einer Pflanze vorherzusagen, weisen einige der berühmtesten und vielfältigsten Wüstenpflanzen – darunter Kakteen, Yuccas und Agaven – das entgegengesetzte Design auf, mit vielen flexiblen Wänden Zellen, die verdünnten Saft halten und schnell an Turgor verlieren würden, sagte Sack.

„Diese Sukkulenten vertragen Dürre eigentlich nicht gut und vermeiden sie stattdessen“, sagte er. „Da ein Großteil ihres Gewebes aus Wasserspeicherzellen besteht, können sie tagsüber oder nachts ihre Spaltöffnungen minimal öffnen und mit ihrem gespeicherten Wasser überleben, bis es regnet. Flexible Zellwände helfen ihnen, Wasser an den Rest der Pflanze abzugeben.“

Diese neue Studie zeigte, dass der Salzgehalt von Zellen in Pflanzenblättern erklären kann, wo Pflanzen leben und welche Pflanzenarten Ökosysteme auf der ganzen Welt dominieren. Das Team arbeitet mit Mitarbeitern des Xishuangbanna Tropical Botanical Gardens in Yunnan, China, an der Entwicklung einer neuen Methode zur schnellen Messung des Turgorverlustpunkts über eine Vielzahl von Arten hinweg und ermöglicht erstmals die kritische Bewertung der Trockenheitstoleranz für Tausende von Arten Zeit.

„Wir freuen uns, einen so starken Dürreindikator zu haben, den wir leicht messen können“, sagte Bartlett. „Wir können dies auf ganze Ökosysteme oder Pflanzenfamilien anwenden, um zu sehen, wie sich Pflanzen an ihre Umwelt angepasst haben und um bessere Strategien für ihren Schutz angesichts des Klimawandels zu entwickeln.“

Die UCLA ist Kaliforniens größte Universität mit einer Einschreibung von fast 38.000 Studenten und Doktoranden. Das UCLA College of Letters and Science und die 11 Professional Schools der Universität verfügen über renommierte Dozenten und bieten 337 Studiengänge und Majors an. Die UCLA ist national und international führend in der Breite und Qualität ihrer akademischen, Forschungs-, Gesundheits-, Kultur-, Weiterbildungs- und Sportprogramme. Sechs Alumni und fünf Dozenten wurden mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

VonStuart Wolpert