Neue Stu­die der Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Pflan­zen pas­sen ihre Pho­to­syn­the­se an unbe­re­chen­ba­re Kli­ma­be­din­gun­gen an

Campusrondell der Universität Bayreuth
Campusrondell der Universität Bayreuth. Foto: © UBT

Die Auf­nah­me von CO₂ aus der Luft ist ein wesent­li­cher Pro­zess der pflanz­li­chen Pho­to­syn­the­se. In trocke­nen Gebie­ten ver­le­gen eini­ge Pflan­zen die­sen Vor­gang in die Nacht, damit sie tags­über ihre Spalt­öff­nun­gen geschlos­sen hal­ten und die Ver­dun­stung von Was­ser ver­rin­gern kön­nen. Hier­für besit­zen sie einen spe­zi­el­len Pho­to­syn­the­se-Mecha­nis­mus (Cras­su­lace­an acid meta­bo­lism, CAM). In wel­chem Umfang Pflan­zen die­sen Mecha­nis­mus für ihren Ener­gie­haus­halt nut­zen, hängt auch von der Unre­gel­mä­ßig­keit der Nie­der­schlä­ge ab. Dar­über berich­ten Wissenschaftler*innen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, der Uni­ver­si­tät Hohen­heim und der Stel­len­bosch Uni­ver­si­ty in Süd­afri­ka in der Zeit­schrift „New Phytologist“.

Mittagsblumengewächs der Art Drosanthemum wittebergensis am Swartbergpass in Südafrika. Foto: H.E.K. Hartmann.

Mit­tags­blu­men­ge­wächs der Art Dro­san­the­mum witt­e­ber­gen­sis am Swart­berg­pass in Süd­afri­ka. Foto: H.E.K. Hartmann.

Bis­her war bekannt, dass eine gerin­ge jähr­li­che Nie­der­schlags­men­ge Pflan­zen dazu ver­an­lasst, die Auf­nah­me von CO₂ teil­wei­se auf die Nacht­stun­den zu ver­schie­ben. Aber auch die zuneh­men­de Unbe­re­chen­bar­keit der Was­ser­ver­sor­gung in eini­gen Gebie­ten, wie etwa dem süd­li­chen Nami­bia, führt zu einem Anstieg der CAM-Pho­to­syn­the­se: Arten, die aus Gebie­ten mit regel­mä­ßi­ge­ren Nie­der­schlä­gen stam­men und bis­her nur im Tages­licht Pho­to­syn­the­se betrie­ben haben, stei­gen teil­wei­se auf CAM-Pho­to­syn­the­se um, wenn sie in Gebie­te mit unbe­re­chen­ba­rem Nie­der­schlag vor­drin­gen. Die­se neu­en Erkennt­nis­se haben die Forscher*innen aus Deutsch­land und Süd­afri­ka bei ver­glei­chen­den Unter­su­chun­gen an Mit­tags­blu­men­ge­wäch­sen (Aizoaceae) gewon­nen, die in Küsten­re­gio­nen Süd­afri­kas und Nami­bi­as hei­misch sind. „Unse­re Stu­di­en zei­gen bei­spiel­haft, wie Pflan­zen sich unter zuneh­mend unsi­che­ren kli­ma­ti­schen Bedin­gun­gen anpas­sen kön­nen, um sich vor zu gro­ßen Was­ser­ver­lu­sten bei der Pho­to­syn­the­se zu schüt­zen“, sagt Prof. Dr. Sig­rid Lie­de-Schu­mann, Inha­be­rin des Lehr­stuhls für Pflan­zen­sy­ste­ma­tik an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Die For­schungs­ar­bei­ten kon­zen­trier­ten sich auf die Mit­tags­blu­men-Gat­tung Dro­san­the­mum. Deren Ursprung liegt im Süden der Kap-Regi­on, wo die Nie­der­schlä­ge von Mai bis Sep­tem­ber ver­gleichs­wei­se hoch sind. Ein­zel­ne Lini­en die­ser Gat­tung – das heißt ver­schie­de­ne Arten oder Grup­pen von Arten mit einem gemein­sa­men Vor­fah­ren – sind aber auch in trocke­ne­re Lebens­räu­me der Namib-Regi­on und des süd­afri­ka­ni­schen Bin­nen­lan­des vor­ge­drun­gen. Die­se Arten wur­den dar­auf­hin unter­sucht, wel­chen Anteil die CAM-Pho­to­syn­the­se an ihrem Ener­gie­haus­halt hat. Die­ser Anteil konn­te durch die Mes­sung von sta­bi­len Koh­len­stoff-Iso­to­pen mit hoher Genau­ig­keit bestimmt wer­den. Dabei zeig­te sich, dass vor allem die wach­sen­de Unvor­her­seh­bar­keit der Was­ser­ver­sor­gung zu einem höhe­ren Anteil an CAM-Pho­to­syn­the­se führt. „Ver­mut­lich grei­fen Pflan­zen der Gat­tung Dro­san­the­mum auch des­halb auf die CAM-Pho­to­syn­the­se zurück, weil sie dadurch Lebens­räu­me erschlie­ßen kön­nen, in denen die knap­pe Was­ser­ver­sor­gung zusätz­lich äußerst unsi­cher ist“, sagt Liede-Schumann.

Die Forscher*innen sehen sich in die­sem Befund durch Unter­su­chun­gen bestä­tigt, die sie an Mit­tags­blu­men­ge­wäch­sen der nebel­rei­chen Küsten­re­gi­on Nami­bi­as durch­ge­führt haben. Trotz gerin­ger und unre­gel­mä­ßi­ger Nie­der­schlä­ge ist der Anteil der CAM-Pho­to­syn­the­se bei die­sen Pflan­zen gering, da sie sich auf eine regel­mä­ßi­ge Was­ser­ver­sor­gung durch Nebel ver­las­sen können.

Die neu­en Erkennt­nis­se zur Fähig­keit von Pflan­zen, sich an kli­ma­be­ding­te Unsi­cher­hei­ten anzu­pas­sen, waren nur mög­lich, weil den Forscher*innen umfang­rei­ches, pro­fes­sio­nell kura­tier­tes Pflan­zen­ma­te­ri­al zur Ver­fü­gung stand. Das an der Uni­ver­si­tät Ham­burg ange­sie­del­te Her­ba­ri­um Ham­burgen­se, eines der größ­ten Her­ba­ri­en in Deutsch­land, hat Pflan­zen der Mit­tags­blu­men-Gat­tung Dro­san­the­mum, die aus dem gesam­ten Ver­brei­tungs­ge­biet im süd­li­chen Afri­ka stam­men, über meh­re­re Jahr­zehn­te gesam­melt und fach­ge­recht aufbewahrt.

Zu den Mittagsblumengewächsen:

In den Trocken­ge­bie­ten der Kap-Regi­on im süd­li­chen Afri­ka sind blatt­suk­ku­len­te (“saft­rei­che“) Mit­tags­blu­men­ge­wäch­se mit etwa 1.500 ende­mi­schen Arten eine der bestim­men­den Kom­po­nen­ten der Pflan­zen­welt. Für die jetzt in „New Phy­to­lo­gist“ ver­öf­fent­lich­te Stu­die wur­den 73 der ins­ge­samt 114 Arten der Gat­tung Dro­san­the­mum unter­sucht, deren Ver­brei­tungs­ge­biet sich von der sai­so­nal feuch­ten, süd­li­chen Kap-Regi­on bis ins extrem trocke­ne Nami­bia erstreckt.

Ver­öf­fent­li­chung:

Andre­as H. Schwei­ger, Nico­lai M. Nürk, Heath Beckett, Sig­rid Liede-​Schumann, Guy F. Mid­g­ley, Ste­ven I. Hig­gins: The eco-​evolutionary signi­fi­can­ce of rain­fall con­stancy for facul­ta­ti­ve CAM pho­to­syn­the­sis. New Phy­to­lo­gist (2021). DOI: https://​doi​.org/​1​0​.​1​1​1​1​/​n​p​h​.​1​7​250