Willkommen zu
Moderne Landwirtschaft
!
Dank an Liana Wait, Doktorandin, Fakultät für Ökologie und Evolutionsbiologie der Princeton University, für diesen Artikel. Sie können es hier in seiner ursprünglichen Form sehen.
Sie haben vielleicht beobachtet, wie Pflanzen um das Sonnenlicht konkurrieren – wie sie sich nach oben und außen strecken, um sich gegenseitig den Zugang zu den Sonnenstrahlen zu versperren – aber außer Sichtweite findet unter der Erde eine andere Art von Konkurrenz statt. Genauso wie Sie vielleicht die Art und Weise ändern, wie Sie im Pausenraum nach kostenlosen Snacks suchen, wenn Ihre Kollegen anwesend sind, ändern Pflanzen ihre Nutzung unterirdischer Ressourcen, wenn sie neben anderen Pflanzen gepflanzt werden.
In einer Veröffentlichung letzten Monat in Science (und auf dem Cover abgebildet). ), einem internationalen Forscherteam unter der Leitung des Princeton-Doktoranden Ciro Cabal beleuchtet das unterirdische Leben der Pflanzen. Ihre Forschung verwendete eine Kombination aus Modellierung und einem Gewächshausexperiment, um herauszufinden, ob Pflanzen anders in die Wurzelstrukturen investieren, wenn sie einzeln gepflanzt werden, als wenn sie neben einem Nachbarn gepflanzt werden.
„Diese Studie hat viel Spaß gemacht, weil sie verschiedene Arten von Süßigkeiten kombinierte, um scheinbar widersprüchliche Ergebnisse in der Literatur in Einklang zu bringen:ein cleveres Experiment, eine neue Methode zur Beobachtung von Wurzelsystemen in intakten Böden und eine einfache mathematische Theorie“, sagte Stephen Pacala , Frederick D. Petrie Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie (EEB) und der leitende Autor des Papiers.
„Während die oberirdischen Pflanzenteile ausgiebig untersucht wurden, einschließlich der Frage, wie viel Kohlenstoff sie speichern können, wissen wir viel weniger darüber, wie unterirdische Teile – also Wurzeln – Kohlenstoff speichern“, sagte Cabal, ein Ph.D. Student in Pacalas Labor. „Da sich etwa ein Drittel der pflanzlichen Biomasse und damit des Kohlenstoffs der Erde im Untergrund befindet, bietet unser Modell ein wertvolles Instrument zur Vorhersage der Wurzelproliferation in globalen Erdsystemmodellen.“
Pflanzen bilden zwei verschiedene Arten von Wurzeln:Feinwurzeln, die Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen, und grobe Transportwurzeln, die diese Substanzen zurück in die Mitte der Pflanze transportieren. Die „Investition“ der Pflanze in Wurzeln betrifft sowohl das Gesamtvolumen der produzierten Wurzeln als auch die Art und Weise, wie diese Wurzeln im Boden verteilt sind. Eine Pflanze könnte alle ihre Wurzeln direkt unter ihren Trieben konzentrieren, oder sie könnte ihre Wurzeln horizontal ausbreiten, um im angrenzenden Boden nach Nahrung zu suchen – was die Konkurrenz mit den Wurzeln benachbarter Pflanzen riskiert.
Das Modell des Teams sagte zwei mögliche Ergebnisse für Wurzelinvestitionen voraus, wenn Pflanzen feststellen, dass sie sich den Boden teilen. Im ersten Ergebnis „kooperieren“ die benachbarten Pflanzen, indem sie ihre Wurzelsysteme trennen, um Überlappungen zu reduzieren, was dazu führt, dass insgesamt weniger Wurzeln produziert werden, als wenn sie einzeln stehen würden. Im zweiten Ergebnis, wenn eine Pflanze aufgrund der Anwesenheit eines Nachbarn reduzierte Ressourcen auf einer Seite spürt, verkürzt sie ihr Wurzelsystem auf dieser Seite, investiert aber mehr in Wurzeln direkt unter ihrem Stamm.
Die natürliche Selektion sagt dieses zweite Szenario voraus, weil jede Pflanze ihre eigene Fitness erhöht, unabhängig davon, wie sich diese Handlungen auf andere Individuen auswirken. Wenn Pflanzen sehr dicht beieinander stehen, könnte diese erhöhte Investition in das Wurzelvolumen trotz der Trennung dieser Wurzeln zu einer Tragödie der Allmende führen, wodurch die Ressourcen (in diesem Fall Bodenfeuchtigkeit und Nährstoffe) erschöpft werden.
Um die Vorhersagen des Modells zu testen, zogen die Forscher Paprikapflanzen sowohl einzeln als auch paarweise in einem Gewächshaus an. Am Ende des Experiments färbten sie die Wurzeln der Pflanzen unterschiedlich ein, damit sie leicht erkennen konnten, welche Wurzeln zu welcher Pflanze gehörten. Dann berechneten sie die Gesamtbiomasse des Wurzelsystems jeder Pflanze und das Verhältnis von Wurzeln zu Trieben, um zu sehen, ob Pflanzen veränderten, wie viel Energie und Kohlenstoff sie in unterirdischen und oberirdischen Strukturen ablagerten, wenn sie neben Nachbarn gepflanzt wurden, und zählten die Anzahl der von ihnen produzierten Samen jede Pflanze als Maß für die relative Fitness.
Das Team entdeckte, dass das Ergebnis davon abhängt, wie nahe ein Pflanzenpaar beieinander steht. Wenn sie sehr nah beieinander gepflanzt werden, werden Pflanzen eher stark in ihre Wurzelsysteme investieren, um zu versuchen, sich gegenseitig um endliche unterirdische Ressourcen zu übertreffen; Wenn sie weiter auseinander gepflanzt werden, investieren sie wahrscheinlich weniger in ihre Wurzelsysteme als eine Einzelpflanze.
Insbesondere stellten sie fest, dass Paprikapflanzen, wenn sie in der Nähe anderer gepflanzt wurden, die Investitionen in lokale Wurzeln erhöhten und die horizontale Ausdehnung ihrer Wurzeln verringerten, um die Überlappung mit Nachbarn zu verringern. Es gab keine Hinweise auf ein „Tragödie der Allmende“-Szenario, da es keinen Unterschied in der gesamten Wurzelbiomasse oder den relativen Investitionen in Wurzeln im Vergleich zu oberirdischen Strukturen (einschließlich der Anzahl der pro Pflanze produzierten Samen) für Einzelpflanzen und zusammenlebende Pflanzen gab .
Pflanzen entziehen der Atmosphäre Kohlendioxid und lagern es in ihren Strukturen ab – und ein Drittel dieses vegetativen Kohlenstoffs wird in Wurzeln gespeichert. Das Verständnis, wie sich die Kohlenstoffablagerung in verschiedenen Szenarien ändert, könnte uns helfen, die Kohlenstoffaufnahme genauer vorherzusagen, was wiederum dazu beitragen könnte, Strategien zur Eindämmung des Klimawandels zu entwickeln. Diese Forschung könnte auch dazu beitragen, die Lebensmittelproduktion zu optimieren, denn um den Ernteertrag zu maximieren, ist es hilfreich zu verstehen, wie man unterirdische (und oberirdische) Ressourcen optimal nutzt.
Die anderen Co-Autoren der Veröffentlichung sind Ricardo Martínez-García, ein ehemaliger Postdoktorand der EEB, der jetzt Professor am South American Institute for Fundamental Research ist; Aurora de Castro, die an dem Projekt im Rahmen einer Bachelorarbeit für die Abteilung für Biogeographie und globale Veränderungen des Spanischen Nationalmuseums für Naturwissenschaften gearbeitet hat; und Fernando Valladares, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biologie, Geologie, Physik und anorganische Chemie an der Rey Juan Carlos University und Forscher in der Abteilung für Biogeographie und globale Veränderungen am Spanischen Nationalmuseum für Naturwissenschaften.
