Auch hungernde Bäume bilden Reserven

Wenn die Fotosynthese lange lahmgelegt ist, gewinnen junge Fichten notfalls sogar durch Selbstverdauung Energie

Bäume haushalten mit ihren Reserven anders als bislang angenommen. Sie bilden nämlich auch in Hungerphasen, also etwa während langer Trockenperioden, energiereiche Kohlenstoffverbindungen, die ihnen für genau solche Zeiten als Vorräte dienen. Dafür verzichten sie darauf, weiter zu wachsen, und verdauen im Extremfall sogar eigene energiereiche Bestandteile. Bislang gingen Biologen davon aus, dass Pflanzen nur Reserven bilden, wenn genügend Fotosyntheseprodukte vorhanden sind und auch der Bedarf für ihr Wachstum gedeckt ist. Anhand der neuen Erkenntnisse lassen sich Modelle verbessern, die vorhersagen, wie sich Wälder mit dem fortschreitenden Klimawandel entwickeln werden.

Gesunde, weiter gewachsene Exemplare der für das Experiment verwendeten Fichten-Klone.

Bäume und ganze Wälder sind weltweit durch zunehmende Klimaextreme wie Hitzewellen und Dürren bedroht, in deren Folge sie obendrein oft noch verstärktem Insektenbefall ausgesetzt sind. Da Bäume solchen ungünstigen Umweltbedingungen nicht entfliehen können, müssen sie ihre Stoffwechselvorgänge an die Gefahren anpassen. Zentral ist dabei die Fotosynthese, mit der sie energiereiche Zuckermoleküle (Kohlenhydrate) als Energiequelle und als Grundbausteine für alle Stoffwechselvorgänge aufbauen. Doch lang anhaltende Dürre oder Hitze können diese Energiegewinnung drastisch einschränken, zum Beispiel weil Pflanzen das dafür benötigte CO2 oder Wasser nicht mehr aufgenehmen können. Der Bedarf an energiereichen Zuckern ist dann nicht gedeckt und die Pflanzen müssen Reserven anzapfen, um zu überleben. Sind auch diese leer, droht der Tod durch Verhungern oder durch Schädlinge. Denn auch die Abwehr von Schadinsekten und andere Verteidigungsmechanismen sind sehr energieaufwändig.

Bisher gingen Biologen davon aus, dass Pflanzen nur überschüssige Kohlenhydrate in Form von löslichen Zuckern, Stärke und Fetten als schnell verfügbare Speicherstoffe sammeln und dass sie zunächst auch andere Funktionen wie ihr Wachstum sicherstellen. „Das macht aus Sicht der Evolution aber keinen Sinn. Bäume müssen Jahrzehnte überleben, bevor sie sich fortpflanzen können, und schnell verfügbare Reserven spielen dabei eine enorm wichtige Rolle“ unterstreicht Henrik Hartmann, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. „Warum sollte also ein Baum in Wachstum investieren, anstatt das Überleben zu sichern und vielleicht sogar noch weitere Reserven anzulegen?“

Um diese Frage zu beantworten, hat Jianbei Huang, Postdoktorand der Arbeitsgruppe, jungen Fichten eine mehrwöchigen Hungerkur auferlegt, indem er die Bäumchen bei stark verringerter CO2-Konzentrationen wachsen ließ. Damit simulierte er die verminderte Fotosynthese während Klimaextremen. Die Pflanzen verbrauchen dann erwartungsgemäß schnell verfügbare Speicherstoffe für ihr Wachstum und ihren Metabolismus. Je länger diese CO2-Hungerphase dauert, desto stabiler wurde aber überraschenderweise der geringere Vorrat an Speicherstoffen. Gleichzeitig stoppten die Bäume ihr Wachstum. „Wenn die Fotosyntheseleistung zu gering ist, um alle Funktionen ausreichend mit Kohlenstoff zu versorgen, reduzieren Bäume ihre Wachstumsvorgänge, um Ressourcen für die Speicherung freizusetzen“, sagt Huang.

Gleichzeitig untersuchten die Forschenden drei bis fünf Wochen nach Beginn der CO2-Hungerkur die genetische Aktivität der Pflanzenzellen, also welche Enzyme diese in welchen Mengen herstellen. „Wir fanden erstmalig, dass auch nach längerem Hungern vermehrt Enzyme für die Speicherung schnell verfügbarer Kohlehydrate produziert wurden“, so Huang. Dagegen reduzierten die Bäume Enzyme für Wachstumsprozesse, also zum Beispiel für die Herstellung von Zellulose und Lignin. Die genetischen Befunde bestätigten also die Beobachtungen bei den Speicherstoffen und beim Wachstum.

Experimenteller Aufbau des CO2-Hungerexperiments an den jungen Fichten.

Überraschenderweise waren aber Stoffwechselprozesse für eine alternative Energiegewinnung angekurbelt, zum Beispiel durch vermehrte Enzyme für die Umwandlung komplexer Fettmoleküle in Kohlenhydrate. „Die Pflanzen scheinen lieber nicht benötigte Moleküle zu opfern und sich sozusagen selbst zu verdauen, als auf schnell verfügbare Speicherstoffe zu verzichten“, sagt Henrik Hartmann. „Die Strategie zur Energiegewinnung und -speicherung bei gleichzeitigem Abschalten unnötigen Energieverbrauchs für das Wachstum wird also konsequent umgesetzt,“ fasst Hartmann zusammen. "Wie lange Bäume Klimaextreme mit dieser Strategie überleben und ob äußerlich gesund aussehende Bäume sich schon im Notfallmodus der Selbstverdauung befinden, sind weiterführende Fragen, die dringend erforscht werden müssen." Die neuen Ergebnisse lassen jedoch hoffen, dass sich Wälder durch diese Anpassungen besser von den Auswirkungen von Klimaextremen erholen können.

Untersuchungen zu Speicherstrategien in Pflanzen wurden bisher nur mit der kurzlebigen krautigen Ackerschmalwand Arabidopsis und nur über die Dauer von Stunden bis wenigen Tage durchgeführt. Auf Bäume, die sehr lange leben, Jahrzehnte für Ihre Reproduktion benötigen und dabei kontinuierlich dem Wechsel der Jahreszeiten sowie sporadischen Klimaextremen ausgesetzt sind, waren diese Erkenntnisse nicht übertragbar. „Natürlich müssen Bäume anderen Strategien folgen als zweijährige Kräuter“ sagt Huang, „wie sonst haben sie es geschafft, sich seit fast 400 Millionen Jahren auf der Erde zu behaupten?“

Nadelbäume, wie die nun untersuchten Fichten, dominieren viele Ökosysteme der nördlichen Hemisphäre und erfüllen neben der Aufnahme und Speicherung des Treibhausgases Kohlendioxid andere wichtige ökologische Funktionen. Gleichzeitig sind viele Nadelbaumarten nicht an wärmere und trockenere Bedingungen angepasst und daher in ihrer Existenz besonders gefährdet. Ob die Bäume und Wälder überleben und wie sie sich weiterentwickeln, wird von Forschern weltweit in geeigneten Vegetationsmodellen simuliert. Diese basieren bisher alleine auf Daten zur Fotosyntheseleistung und lassen die Reserven völlig außer Acht. „Aufbauend auf unseren neuen Erkenntnissen können Vegetationsmodelle nun realistischer gestaltet werden“, sagt Hartmann. „Verlässlichere Vorhersagen sind gerade unter dem fortschreitendem Klimawandel extrem wichtig, um die zukünftige Entwicklung der Wälder abschätzen zu können.“

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