Wie sich steigende Temperaturen auf die Überlebensfähigkeit von Pflanzen auswirken

Dank für diesen Artikel geht an Diana Yates, Life Sciences Editor, University of Illinois News Bureau

Agrarwissenschaftler, die den Klimawandel untersuchen, konzentrieren sich häufig darauf, wie sich ein zunehmender Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre auf die Ernteerträge auswirkt. Aber steigende Temperaturen dürften das Bild verkomplizieren, berichten Forscher in einem neuen Bericht zu diesem Thema.

Die im Journal of Experimental Botany veröffentlichte Übersicht untersucht, wie höhere Temperaturen das Pflanzenwachstum und die Lebensfähigkeit trotz der größeren Verfügbarkeit von atmosphärischem CO₂ beeinflussen , eine Schlüsselkomponente der Photosynthese. Übermäßige Hitze kann die Effizienz von Enzymen verringern, die die Photosynthese antreiben, und kann die Fähigkeit von Pflanzen zur CO₂-Regulierung beeinträchtigen , Aufnahme und Wasserverlust, schreiben die Forscher. Strukturmerkmale können Pflanzen mehr – oder weniger – anfällig für Hitzestress machen. Ökosystemattribute – wie die Größe und Dichte von Pflanzen, die Anordnung der Blätter an Pflanzen oder lokale atmosphärische Bedingungen – beeinflussen auch, wie sich Hitze auf die Ernteerträge auswirkt.

Der Bericht beschreibt die neuesten wissenschaftlichen Bemühungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen.

„Es ist wichtig, diese Probleme auf allen Ebenen zu verstehen – von der Biochemie einzelner Blätter bis hin zu Einflüssen auf Ökosystemebene – um diese Probleme wirklich auf fundierte Weise anzugehen“, sagte die Hauptautorin Caitlin Moore , wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Western Australia und assoziierter wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institute for Sustainability, Energy, and Environment an der University of Illinois Urbana-Champaign. Moore leitete die Überprüfung mit Amanda Cavanagh , eine weitere Absolventin der U. of I., jetzt an der University of Essex in Großbritannien

„In der Vergangenheit wurde viel Wert auf den steigenden CO2-Ausstoß und die Auswirkungen, die er auf Pflanzen hat, gelegt“, sagte Co-Autor Carl Bernacchi , Professor für Pflanzenbiologie und der Pflanzenwissenschaften und ein Tochterunternehmen des Carl R. Woese Institute for Genomic Biology an der U. of I. „Und es ist ein wichtiger Faktor, weil wir diese Kohlendioxidkonzentration enorm verändern. Aber es ist ein kleiner Teil der größeren Geschichte. Sobald Sie wechselnde Temperaturen in die Mischung werfen, bringt das unser Verständnis davon, wie Pflanzen reagieren werden, komplett durcheinander.“

„Nehmen Sie Rubisco, das Schlüsselenzym, das Kohlendioxid in Zucker bindet und das Leben auf der Erde ermöglicht“, sagte Cavanagh. „Rubisco beschleunigt mit steigender Temperatur, ist aber auch anfällig für Fehler.“

Anstatt Kohlendioxid zu binden, indem es an Zucker gebunden wird, ein wichtiger Schritt in der Photosynthese, fixiert Rubisco manchmal Sauerstoff und initiiert einen anderen Weg, der die Ressourcen einer Pflanze verschwendet. Höhere Temperaturen machen dies wahrscheinlicher, sagte Cavanagh. Bei noch höheren Temperaturen beginnt das Enzym seine strukturelle Integrität zu verlieren, wodurch es unwirksam wird.

Übermäßige Hitze kann auch die Reproduktionsleistung einer Pflanze untergraben. Andere wärmeempfindliche Enzyme sind für die Lichtsammelmaschinerie von Pflanzen unerlässlich oder spielen eine Rolle beim Transport von Zucker zu verschiedenen Pflanzengeweben, sodass die Pflanze wachsen und Körner oder Früchte produzieren kann.

„Wenn diese kleinen molekularen Maschinen aus dem optimalen Temperaturbereich herausgedrängt werden, können sie ihre Arbeit nicht tun“, sagte Cavanagh.

Steigen die Temperaturen zu stark an, öffnen Pflanzenblätter die Poren ihrer Oberfläche, die Stomata genannt werden, um sich abzukühlen. Stomata ermöglichen es Pflanzen auch, Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen, aber wenn sie vollständig geöffnet sind, kann das Blatt zu viel Feuchtigkeit verlieren.

„Die Temperatur beeinflusst die Atmosphäre über der Anlage“, sagte Moore. „Wenn sich die Atmosphäre erwärmt, kann sie zusätzliches Wasser aufnehmen, also entzieht sie den Pflanzen mehr Wasser.“

Wissenschaftler in Illinois und anderswo suchen nach Möglichkeiten, die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen angesichts dieser Veränderungen zu verbessern. Moore, dessen Arbeit sich auf Faktoren im Ökosystembereich konzentriert, sagte, dass neue Werkzeuge, die helfen können, Pflanzen in großem Maßstab zu untersuchen, für diese Bemühungen unerlässlich sind. Beispielsweise können Satelliten, die Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz in Pflanzen erkennen können, anzeigen, ob eine Kultur unter Hitzestress steht. Diese Fluoreszenzveränderungen sind nachweisbar, bevor die Pflanze äußerliche Anzeichen von Hitzestress zeigt – wie z. B. ihre Blätter braun werden. Die Entwicklung dieser Tools kann es den Landwirten ermöglichen, schneller auf Erntestress zu reagieren, bevor zu viel Schaden angerichtet wird.

Cavanagh, der sich mit Molekularbiologie und Physiologie von Pflanzen befasst, sagte, einige Pflanzen seien hitzetoleranter als andere, und Wissenschaftler durchsuchten ihre Genome nach Hinweisen auf ihren Erfolg.

„Zum Beispiel können Sie sich wilde australische Verwandte von Reis ansehen, die in viel raueren Klimazonen wachsen als die meisten Rohreis“, sagte sie. „Und Sie sehen, dass ihre Enzyme darauf vorbereitet sind, bei höheren Temperaturen effizienter zu arbeiten.“

Ein Ziel ist es, hitzetolerante Gene auf Kulturreissorten zu übertragen, die anfälliger für Hitzestress sind.

Andere Strategien umfassen technische Strukturen, die mehr CO₂ pumpen , an die Stelle der Kohlenstofffixierung, um die Rubisco-Effizienz zu verbessern; Veränderung der lichtsammelnden Eigenschaften von Blättern an den Ober- und Unterseiten von Pflanzen, um die Verteilung des Sonnenlichts auszugleichen und den Feuchtigkeitsgehalt aufrechtzuerhalten; und die Veränderung der Stomatadichte, um ihre CO₂-Kontrolle zu verbessern , Zufluss und Feuchtigkeitsverlust.

Die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern, die sich auf verschiedene Ebenen der Ökosystem- und Pflanzenfunktion konzentrieren – von atmosphärisch bis molekular – ist für den Erfolg der Bemühungen um den Aufbau von Widerstandsfähigkeit bei Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung, so die Forscher.

„Die Welt wird mit schockierender Geschwindigkeit heißer“, sagte Cavanagh. „Und wir wissen aus globalen Modellen, dass jeder Anstieg der Bruttotemperatur in Grad Celsius zu Ertragsverlusten von 3 % bis 7 % bei unseren vier Hauptkulturen führen kann. Es ist also nichts, was wir ignorieren können.

„Was mich optimistisch stimmt, ist die Erkenntnis, dass so viel Arbeit in die globale Lösung dieses Problems investiert wird“, sagte sie.

Cavanagh und Bernacchi sind Partner des Projekts „Realizing Increased Photosynthetic Efficiency“ an der University of I. Moore ist außerdem Partner des Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation in Illinois. Bernacchi ist forschender Pflanzenphysiologe für das US-Landwirtschaftsministerium, Agricultural Research Service.

Die Veröffentlichung „Die Wirkung zunehmender Temperatur auf die Fotosynthese von Nutzpflanzen:Von Enzymen zu Ökosystemen“ ist online und bei verfügbar U. des I. Nachrichtenbüros.