Klima und Boden entscheiden über die Ausprägung von Pflanzenmerkmalen
Climatic differences change the height of plant species along latitudes. However, the economy of plants does not show these gradients. (Bild: S. Michalski)
Neue Erkenntnisse können wissenschaftliche Erdsystemmodelle verbessern
Basiert auf einer Medienmitteilung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie
Zürich/Jena/Leipzig. Ein internationales Forschungsteam hat global wirkende Faktoren identifiziert, die für die verfältigen Formen und Funktionen von Pflanzen verantwortlich sind. Die Forschenden unter der Leitung der Universität Zürich und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (MPI BGC) in Jena, der Universität Leipzig und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) analysierten dazu Pflanzendaten aus aller Welt. Die nun in der Zeitschrift Nature Ecology and Evolution veröffentlichte Studie zeigt, wie stark Pflanzenmerkmale wie Größe, Aufbau und Lebensspanne von Klima- und Bodeneigenschaften bestimmt werden. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse könnten Erdsystemmodelle entscheidend verbessern.
Auf den ersten Blick erscheint die Vielfalt der Formen und Funktionen von Pflanzen kaum erfassbar. Sie kann jedoch anhand morphologischer, physiologischer und biochemischer Merkmale beschrieben werden. Schon früher wurde gezeigt, dass jede Pflanze artenübergreifend bei zwei Hauptkategorien ein Gleichgewicht halten muss: zum einen bei der Größe und zum anderen bei der Ökonomie des Stoffwechsels.
In der aktuellen Studie konnte die Forschenden anhand eines stark erweiterten, globalen Datensatzes für 17 verschiedene Pflanzenmerkmale nun erstmals bestätigen, dass diese zwei Hauptkategorien für alle untersuchten Pflanzen weltweit gültig sind. In der Kategorie Größen halten Pflanzen unter anderem die Wuchshöhe, die Blattgröße und die Größe der Samen in Balance. Diese Merkmale werden auch von hydraulischen Komponenten des Wassertransports in den Pflanzen beeinflusst. Die ökonomische Kategorie beschreibt, wie schnell und effektiv die Pflanze Energie und Biomasse durch Photosynthese gewinnt und damit auch wie lange sie unter den jeweiligen Bedingungen überlebt. Bestimmt wird diese Kategorie durch messbare Merkmale wie Aufbau und Zusammensetzung der Blätter hinsichtlich Blattfläche, sowie Stickstoff-, Phosphor- und Kohlenstoffgehalt der Trockenmasse. Mithilfe der zwei universell gültigen Hauptkategorien sind Lebensstrategien aller Pflanzenarten weltweit nun gut erklärbar.
Die Merkmale einer Pflanze als Ganzes sowie der gesamten Vegetation werden aber durch unterschiedlichste externe Faktoren wie etwa Klima, Bodenbeschaffenheit und menschliche Eingriffe beeinflusst. Welche Faktoren entscheidend sind, konnte auf der globalen Ebene bislang nicht bestimmt werden. Zur Beantwortung dieser Frage analysierte das Forschungsteam, das von Julia Joswig, Doktorandin an der Universität Zürich und am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, geleitet wird, die Pflanzenmerkmale von über 20.000 Arten. Die Daten stammten aus der TRY-Datenbank des MPI BGC.
Entscheidend hierbei war die Tatsache, dass über die Standortdaten der Pflanzen auch die Informationen zum Klima und der Bodenbeschaffenheit mitberücksichtigt wurden. „Unsere Studie belegt eindeutig, dass Pflanzenmerkmale weltweit nur durch gemeinsame Effekte von Klima und Boden erklärbar sind“, so die Erstautorin Joswig. „Dies deutet darauf hin, dass Aspekte des Klimawandels und der Bodenerosion, die beide zum Beispiel durch eine veränderte Landnutzung auftreten, immer auch gemeinsam erforscht werden sollten.”
Viele der hier beschriebenen Zusammenhänge waren aus kleinteiligen, lokalen Studien bekannt. „Dass diese Prozesse nun global aufgezeigt und ihre Bedeutung quantifiziert werden konnte, ist ein wichtiger Meilenstein“, fügt Letztautor Prof. Miguel Mahecha von der Universität Leipzig und iDiv-Mitglied hinzu. „An Studien dieser Art können sich globale Erdsystemmodelle bei der Darstellung der komplexen Wechselwirkung von Klima, Boden und Biodiversität orientieren. Das ist eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Vorhersagen.“
Die Studie zeigt erwartungsgemäß, wie sich aufgrund des unterschiedlichen Klimas die Wuchshöhe von Pflanzenarten entlang der Breitengrade verändert. Die Ökonomie der Pflanzen zeigt diesen Gradienten aber nicht. Ebenso ist die Bodenqualität nur zum Teil vom Klima geprägt, weshalb es einen vom Breitengrad unabhängigen Anteil in der Bodeninformation gibt. Joswig und ihre Kolleginnen und Kollegen zeigen, dass diese Bodeninformation aber auch für die Ökonomie relevant ist. Bodenbildende Faktoren sind neben dem Klima: Im Boden lebende Organismen, die Geologie und die Topographie sowie natürlich der Zeitfaktor. Der Globale Wandel betrifft das Klima, die Organismen und teilweise die Topographie. Die Studie legt daher nahe, die Risiken für Pflanzen besonders in Bezug auf den Klimawandel und die Bodenerosion zu erforschen.
Diese Forschungsarbeit wurde u. a. gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; FZT-118).
Originalpublikation:
(Forschende mit iDiv-Affiliation und Alumni fett gesetzt)
Joswig, J.S., Wirth C., Schuman, M. C., Kattge, J., Reu, B., Wright, I. J., Sippel, S. D., Rüger, N., Richter R., Schaepman M. E., van Bodegom, P. M., Cornelissen, J. H. C., Díaz, S., Hattingh, W. N., Kramer, K., Lens, F., Niinemets, Ü., Reich, B., Reichstein, M., Römermann, C., Schrodt, F., [...] & Mahecha, M. D. (2021): Climatic and soil factors explain the two-dimensional spectrum of global plant trait variation, Nature Ecology and Evolution, DOI: 10.1038/s41559-021-01616-8
