Neue Forschungsergebnisse von UCLA-Biowissenschaftlern könnten zu Vorhersagen führen, welche Pflanzenarten vom Klimawandel nicht mehr ausgestorben sind.
Dürren nehmen weltweit zu 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. Seit mehr als einem Jahrhundert diskutieren Wissenschaftler, wie sie vorhersagen können, 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 staatlich als Naturkatastrophe eingestuft wurde. Der Baum ist ein Alahee (Psydrax odorata). Bild-Gutschrift: Glaube Inman-Narahari
Sack und zwei Mitglieder seines Labors haben eine grundlegende Entdeckung gemacht, die diese Debatte löst und es ermöglicht, vorherzusagen, wie unterschiedlich Pflanzenarten und Vegetationstypen weltweit Dürre vertragen 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 Zeitschrift für Ökologie, verfügbar und wird in einer kommenden Ausgabe veröffentlicht.
Warum welkt und trocknet eine Sonnenblume schnell, wenn der Boden trocknet, während die einheimischen Chaparral-Sträucher Kaliforniens mit ihren immergrünen Blättern lange Trockenzeiten überstehen? Da es viele Mechanismen gibt, mit denen die Dürreverträglichkeit von Pflanzen bestimmt werden kann, wurde unter Pflanzenwissenschaftlern heftig diskutiert, welches Merkmal am wichtigsten ist. Das von der National Science Foundation finanzierte UCLA-Team konzentrierte sich auf ein Merkmal namens „Turgor-Verlust-Punkt“, von dem noch nie erwiesen wurde, dass es die Toleranz gegenüber Dürre über Pflanzenarten und Ökosysteme hinweg 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 „Turgordruck“ angewiesen - Druck, der in den Zellen durch internes Salzwasser erzeugt wird, das gegen die Zellwände drückt und diese hochhält. Wenn Blätter ihre Poren oder Stomata 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.
Während der Dürre ist das Wasser der Zelle schwerer zu ersetzen. Der Turgorverlustpunkt ist erreicht, wenn die Blattzellen einen Punkt erreichen, an dem ihre Wände schlaff werden. Dieser Verlust des Turgors auf Zellebene führt dazu, dass das Blatt schlaff und welk 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 staatlich als Naturkatastrophe eingestuft wurde. Dieser Baum ist ein Sandelholz (Santalum paniculatum). Bild-Gutschrift: Glaube Inman-Narahari
"Das Trocknen des Bodens kann dazu führen, dass die Zellen einer Pflanze den Turgorverlustpunkt erreichen. Die Pflanze steht vor der Wahl, entweder ihre Stomata zu schließen und Hunger zu riskieren oder mit welken Blättern Photosynthese zu betreiben und die Zellwände und Stoffwechselproteine zu beschädigen", sagte Sack. „Um dürreverträglicher zu sein, muss die Pflanze ihren Turgorverlustpunkt ändern, damit ihre Zellen ihren Turgor auch bei trockenem Boden behalten können.“
Die Biologen zeigten, dass in Ökosystemen und auf der ganzen Welt Pflanzen, die dürreverträglicher sind, niedrigere Turgorverlustpunkte aufweisen. Sie konnten ihren Turgor trotz trockeneren Bodens aufrechterhalten.
Das Team löste auch weitere jahrzehntealte Kontroversen und hob die lang gehegten Annahmen vieler Wissenschaftler über die Merkmale auf, die den Turgorverlustpunkt und die Trockenheitstoleranz bestimmen. Es wurde angenommen, dass zwei Merkmale in Bezug auf Pflanzenzellen den Turgorverlustpunkt von Pflanzen beeinflussen und die Trockenheitstoleranz verbessern: Pflanzen können ihre Zellwände versteifen oder ihre Zellen salziger machen, indem sie mit gelösten Stoffen beladen werden. Viele prominente Wissenschaftler haben sich der Erklärung der „steifen Zellwand“ zugewandt, weil Pflanzen in trockenen Gebieten rund um den Globus kleine, zähe Blätter haben. Steife Zellwände könnten es dem Blatt ermöglichen, ein Welken zu vermeiden und sich in trockenen Zeiten am Wasser zu halten, so die Wissenschaftler. Über den Salzgehalt von Zellen für Pflanzen auf der ganzen Welt war bisher wenig bekannt.
Das UCLA-Team hat nun schlüssig gezeigt, dass es der Salzgehalt des Zellsafts ist, der die Toleranz gegenüber Dürre bei verschiedenen Arten erklärt. Ihr erster Ansatz war mathematisch; Das Team überarbeitete die grundlegenden Gleichungen, die das Welkeverhalten bestimmen, und löste sie zum ersten Mal. Ihre mathematische Lösung wies auf die Bedeutung von salzigerem Zellsaft hin. Der salzigere Zellsaft in jeder Pflanzenzelle ermöglicht es der Pflanze, den Turgordruck während der Trockenzeiten aufrechtzuerhalten und die Photosynthese und das Wachstum fortzusetzen, wenn Dürre auftritt. 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 die Elemente oder Insekten und Säugetiere.
Das Team sammelte auch zum ersten Mal Dürreverträglichkeitsdaten für Arten weltweit, die ihr Ergebnis bestätigten. Über alle Arten in geografischen Gebieten und auf der ganzen Welt hinweg korrelierte Dürreverträglichkeit mit dem Salzgehalt 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, da die Evolution auch hier langlebige Blätter bevorzugt, die vor Schäden geschützt sind.
Die Feststellung, dass die Salzigkeit der Zellen der Hauptgrund für die Toleranz gegenüber Dürre ist, löste große Kontroversen aus und eröffnete den Weg für Vorhersagen, welche Arten vor dem Klimawandel vom Aussterben verschont bleiben könnten, sagte Sack.
„Das in den Zellen konzentrierte Salz hält das Wasser fester und ermöglicht es den Pflanzen, während der Dürre den Turgor aufrechtzuerhalten“, sagte Forschungskoautorin Christine Scoffoni, Doktorandin der UCLA im Fachbereich Ökologie und Evolutionsbiologie.
Die Rolle der steifen Zellwand war schwerer zu fassen.
"Wir waren überrascht zu sehen, dass eine steifere Zellwand die Trockenheitstoleranz - entgegen der erhaltenen Weisheit - ein wenig verringert, aber dass viele dürretolerante Pflanzen mit viel Salz auch steife Zellwände aufwiesen", sagte Leitautorin Megan Bartlett, Absolventin der UCLA Student in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie.
Dieser scheinbare Widerspruch erklärt sich aus dem sekundären Bedürfnis dürretoleranter Pflanzen, ihre dehydratisierenden Zellen vor dem Schrumpfen zu schützen, wenn sie den Turgordruck verlieren, sagten die Forscher.
"Während eine steife Wand den Zellturgor nicht aufrechterhält, verhindert sie, dass die Zellen schrumpfen, wenn der Turgor abnimmt und sich im Wasser festhält, so dass die Zellen auch bei Verlust des Turgors noch groß und hydratisiert sind", erklärte Bartlett. „Die ideale Kombination für eine Pflanze ist daher eine hohe Konzentration an gelöstem Stoff, um den Turgordruck aufrechtzuerhalten, und eine steife Zellwand, um zu verhindern, dass zu viel Wasser verloren geht und schrumpft, wenn der Blattwasserdruck sinkt. Aber auch dürreempfindliche Pflanzen haben oft dicke Zellwände, denn die zähen Blätter sind auch ein guter Schutz gegen Pflanzenfresser und Abnutzungserscheinungen. “
Obwohl das Team zeigte, dass der Turgorverlustpunkt und der Salzzellensaft eine außergewöhnliche Aussagekraft für die Dürreverträglichkeit einer Pflanze haben, weisen einige der berühmtesten und vielfältigsten Wüstenpflanzen - darunter Kakteen, Yuccas und Agaven - das entgegengesetzte Design mit vielen flexiblen Wänden auf Zellen, die verdünnten Saft enthalten und schnell an Turgor verlieren würden, sagte Sack.
"Diese Sukkulenten vertragen eigentlich schrecklich Dürre, und stattdessen meiden sie es", sagte er. „Da ein Großteil ihres Gewebes aus Wasserspeicherzellen besteht, können sie ihre Stomata tagsüber oder nachts minimal öffnen und mit ihrem gespeicherten Wasser überleben, bis es regnet. Flexible Zellwände helfen ihnen dabei, Wasser an den Rest der Pflanze abzugeben. “
Diese neue Studie hat gezeigt, dass der Salzgehalt von Zellen in Pflanzenblättern erklären kann, wo Pflanzen leben und welche Pflanzenarten die Ökosysteme auf der ganzen Welt dominieren. Das Team arbeitet mit Mitarbeitern des Xishuangbanna Tropical Botanical Gardens in Yunnan, China, zusammen, um eine neue Methode zur schnellen Messung des Turgorverlustpunkts für eine große Anzahl von Arten zu entwickeln und die kritische Bewertung der Trockenheitstoleranz für Tausende von Arten zu ermöglichen Zeit.
"Wir freuen uns über einen so leistungsstarken Dürreindikator, dass wir ihn problemlos 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 angesichts des Klimawandels bessere Strategien für ihren Schutz zu entwickeln.“
Die UCLA ist Kaliforniens größte Universität mit fast 38.000 Studenten und Doktoranden. Das UCLA College of Letters and Science und die 11 Fachhochschulen der Universität verfügen über renommierte Fakultäten und bieten 337 Studiengänge und Hauptfächer. Die UCLA ist national und international führend in der Breite und Qualität ihrer Studien-, Forschungs-, Gesundheits-, Kultur-, Weiterbildungs- und Sportprogramme. Sechs Alumni und fünf Fakultäten wurden mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Von Stuart Wolpert