Wurzeln regieren über den Kohlenstoffhaushalt von Pflanzen

Jul 20 10:48 2016 WSL, Waldschutz Schweiz

Wenn Pflanzen unter Trockenheit leiden, drosseln sie ihre "Nahrungsaufnahme", die Photosynthese, und damit die Aufnahme von CO2. Diese Bremse wird aber nicht wie bisher angenommen ausschliesslich von den Blättern gesteuert, sondern primär von den Wurzeln. Dies ergab ein mehrjähriges Experiment unter Leitung der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL.

Wälder gelten als eine wichtige Senke, um einen Teil des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre zu binden. Tagsüber nehmen Pflanzen CO2 aus der Luft auf, um den darin enthaltenen Kohlenstoff mit Hilfe von Licht über die Photosynthese in Zucker (Kohlenhydrate) umzuwandeln. Diesen verbrauchen sie für ihre Lebensfunktionen und geben wieder CO2 ab. Wachsende Bäume behalten einen Teil des im CO2 enthaltenen Kohlenstoffs, nehmen also langfristig mehr CO2 auf als sie abgeben.

Bei Trockenheit drosseln Pflanzen die Photosynthese und damit die CO2-Aufnahme, verbrauchen aber weiterhin Zucker. Wälder könnten deshalb ihre Senken-Funktion verlieren und zu einer CO2-Quelle zu werden, wenn mit voranschreitendem Klimawandel Trockenphasen häufiger vorkommen. Bisher gingen Biologen davon aus, dass Pflanzen bei Wassermangel ausschliesslich deswegen weniger CO2 aufnehmen, weil sie sie ihre Spaltöffnungen in den Blättern schliessen, um den Wasserverlust zu reduzieren.

Das Team um Matthias Arend und Frank Hagedorn von der WSL berichtet nun im renommierten Fachjournal "Nature Plants", dass sich weitere Regisseure für die Regulierung der Photosynthese unter der Erdoberfläche befinden: die Wurzeln. "Damit verändern wir das Verständnis eines grundlegenden biologischen Prozesses", sagt Arend.

Zuckerstau in der Pflanze
Dieser Nachweis gelang dem Forscherteam aus der Schweiz, Deutschland, Kroatien und China in einem einzigartigen Modellversuch. In nach oben offenen Glaskammern liessen sie junge Bäume mehre Jahre heranwachsen, die dann einer simulierten Sommertrockenheit mit anschliessender Wiederbewässerung ausgesetzt wurden. Messungen während dieser Zeit zeigten, dass die Wurzeln bei Trockenheit als Erstes ihre Stoffwechsel-Aktivität reduzieren. So sank ihr Zuckerverbrauch und die nicht gebrauchten Kohlehydrate stauten sich quasi in der Pflanze. Als Konsequenz, so postulieren die Forscher, wurde die Photosynthese in den Blättern gebremst. "Die Wurzeln regieren über den Kohlenstoffhaushalt der Pflanzen", ist deshalb das klare Fazit von Arthur Gessler, Leiter der Gruppe Waldwachstum und Klima an der WSL.

Erinnerung an karge Zeiten
Damit aber nicht genug der Überraschungen: "Wir fanden bei den Bäumen eine Art 'ökologisches Gedächtnis' an die vorhergehende Trockenperiode", sagt Arend. Sobald wieder genug Bodenfeuchtigkeit vorhanden war, nahmen sie bei gleichen Umweltbedingungen deutlich mehr CO2 auf als die Kontrollpflanzen, die keine Trockenheit erlebt hatten. "Die Pflanzen 'fressen' sich nach einer Hungerphase sozusagen wieder voll", erklärt Gessler. Auch hier spielen die Wurzeln eine zentrale Rolle, weil sie nach der Trockenheit einen gesteigerten Bedarf an Kohlenhydraten haben.

Dieses Resultat deutet laut den Forschenden darauf hin, dass die Bäume einen inneren Puffermechanismus besitzen, der ihnen dabei hilft, die Folgen einer Trockenheit zu überwinden. Wenn man im Zuge des Klimawandels die Veränderungen des Kohlenstoffhaushaltes von Wäldern abschätzen wolle, sollten diese physiologischen Prozesse berücksichtigt werden.

Originalpublikation:
Hagedorn F, Joseph J, Peter M, Luster J, Pritsch K, Geppert U, Kerner R, Molinier V, Egli S, Schaub M, Liu J-F, Li M, Sever K, Weiler M, Siegwolf R, Gessler A, Arend M. 2016.
Recovery of trees from drought depends on belowground sink control. Nature Plants, DOI: 10.1038/nplants.2016.111.