Studie zu Pflanzenwurzeln verschiebt die Natur ökologischer Kompromisse

Die spezifischen Eigenschaften der Pflanzenwurzeln bestimmen die klimatischen Bedingungen, unter denen eine bestimmte Pflanze vorherrscht. Eine neue Studie unter der Leitung der University of Wyoming beleuchtet diesen Zusammenhang – und stellt die Natur ökologischer Kompromisse in Frage.

Daniel Laughlin, außerordentlicher Professor am Lehrstuhl für Botanik der UW und Direktor des Global Vegetation Project, leitete die Studie, an der Forscher des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung in Leipzig teilnahmen; Universität Leipzig; und Wageningen University und forschen in Wageningen, Niederlande.

„Wir haben herausgefunden, dass Wurzelmerkmale die Verbreitung von Arten auf dem Planeten erklären können, die noch nie in einem solchen Ausmaß ausprobiert wurden“, sagt Laughlin. „Wir haben festgestellt, dass Arten mit dicken und dichten Wurzeln eher in warmen Klimazonen vorkommen, dass Arten mit dünnen und geringen Wurzeln jedoch eher in kalten Klimazonen vorkommen. Dies beeinträchtigt ihre Fähigkeit, Ressourcen wie Nährstoffe zu erwerben und symbiotische Beziehungen mit Mykorrhiza-Pilzen.

Laughlin ist Hauptautor eines Artikels mit dem Titel „Root Traits erklären die Verteilung von Pflanzenarten entlang klimatischer Prozesse, aber fordern die Natur ökologischer Kompromisse heraus“, der heute (10. Juni) in) veröffentlicht wurde Natürliche Ökologie und Evolution. Das Online-Journal veröffentlicht monatlich die besten Forschungsergebnisse aus den Bereichen Ökologie und Evolutionsbiologie.

Das Papier enthält Beiträge von mehr als 50 akademischen Einrichtungen, Umweltbehörden, Instituten und Labors.

Pflanzenwurzeln bleiben normalerweise unter der Erde verborgen, ihre Rolle bei der Verbreitung von Pflanzen sollte jedoch nicht unterschätzt werden. Wurzeln sind essentiell für die Wasser- und Nährstoffaufnahme, aber über den Einfluss von Wurzelmerkmalen auf die Artenverteilung ist wenig bekannt.

Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, analysierte ein internationales Forscherteam die Wurzelmerkmalsdatenbank GRooT und die Vegetationsdatenbank sPlot. Jede ist die größte Datenbank ihrer Art. Die Arbeit wurde durch das Synthesezentrum sDiv des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung ermöglicht, das die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern und Disziplinen unterstützt.

Die Forscher analysierten mehrere Pflanzenwurzelmerkmale. Dazu gehörten die spezifische Wurzellänge und der Wurzeldurchmesser sowie die Wurzelgewebedichte und der Stickstoffgehalt der Wurzeln. Diese Wurzeleigenschaften wurden mit den Umweltbedingungen verglichen, unter denen diese Pflanzen vorkommen. Forscher haben herausgefunden, dass Arten mit relativ dicken Feinwurzeln und hoher Wurzelgewebedichte in Wäldern in warmen Klimazonen häufiger vorkommen, während Arten mit feineren und längeren Feinwurzeln und geringer Wurzelgewebedichte in kalten Klimazonen häufiger vorkommen – ein klassischer Kompromiss.

Im Gegensatz dazu wurden Waldarten mit Wurzeln mit großem Durchmesser und einer hohen Dichte an Wurzelgewebe häufiger mit trockenem Klima in Verbindung gebracht, Arten mit den entgegengesetzten Eigenschaften werden jedoch nicht mit feuchtem Klima in Verbindung gebracht. Stattdessen traten in heißen oder feuchten Klimazonen eine Vielzahl von Wurzelmerkmalen auf.

Laughlin sagt, dass die Ergebnisse wichtig sind, weil Wurzeln buchstäblich den Grundstein für das Überleben der Pflanzen legen, aber Wissenschaftler haben Wurzeln zu lange vernachlässigt.

„Wenn wir verstehen, wie sich Wurzelmerkmale auf Klimagradienten wie Wasser und Temperatur beziehen, wird bestimmt, wie Arten reagieren und ihre Verbreitung als Reaktion auf den Klimawandel verändern“, sagt er.

Studienherausforderungen für ökologische Kompromisse

Die ökologische Theorie basiert auf Kompromissen, bei denen sich Merkmalsunterschiede zwischen Arten als Anpassungen an unterschiedliche Umgebungen entwickelt haben. Diese vorherrschende Sicht der Überlegungen in der ökologischen Theorie könnte die Entdeckung von Einwegvorteilen, die in der Natur weit verbreitet sein können, behindert haben. Auf Artenebene würde laut der Studie insbesondere die Unterscheidung zwischen Kompromissen und Einwegvorteilen das Verständnis dafür fördern, wie sich einzelne Merkmale auf die Gemeinschaftsfähigkeit auswirken.

Aber Pflanzen können nicht alle Basen abdecken. Für Pflanzen bedeutet dies, dass niedrige Merkmalswerte – wie in dieser Studie eine geringe spezifische Wurzellänge – unter bestimmten klimatischen Bedingungen mit Vorteilen verbunden sind. Andererseits bieten hohe Merkmalswerte – wie eine hohe spezifische Wurzellänge – Vorteile unter entgegengesetzten Bedingungen.

Bestimmte Wurzelmerkmale folgen jedoch nicht dieser allgemeinen ökologischen Theorie. Die bestimmten Wurzelmerkmale hängen eher mit Einwegvorteilen zusammen. Übersetzt bedeutet dies, dass bei bestimmten Umweltbedingungen ein Vorteil zu hohen Immobilienwerten besteht, bei anderen Bedingungen jedoch kein Vorteil zu niedrigen Immobilienwerten.

„Wir waren erstaunt, wie häufig diese Einwegvorteile bei Karotten im Vergleich zu klassischen Kompromissen waren“, sagt Laughlin.

Ein klassischer Kompromiss ist, wenn eine Art, wie zum Beispiel Pappel, stark an feuchte Uferböden angepasst ist, aber einfach in der trockenen Prärie stirbt, weil sie nicht an trockene Bedingungen angepasst ist. Im Gegensatz dazu gedeihen einige der trockenen Präriegräser im trockenen Boden, können aber im nassen Uferboden sterben oder auf andere Weise von produktiveren Arten entlang des Flusses überrannt werden, sagt Laughlin. Diese klassische Idee durchdrang das ökologische Denken.

„Wir haben etwas nuancierteres gefunden, bei dem eine kleine Auswahl an Merkmalen das Erscheinungsbild von Arten in rauen Klimazonen verbessert, die trocken und kalt sind, aber eine große Anzahl von Merkmalen und Arten von gutartigen Klimazonen tolerieren können, die heiß und nass sind“, erklärt er . . „Mit anderen Worten, Eigenschaften können einerseits dem Klimagradienten förderlich und andererseits neutral sein.“

„Es stellt unser Verständnis davon in Frage, wie Merkmale die Verbreitung von Arten bestimmen, was uns als wissenschaftliche Gemeinschaft überrascht hat“, ergänzt Alexandra Weigelt, Botanikerin an der Universität Leipzig und Mitglied des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung und letzte Senior-Autorin bei. des Papiers.

Dies deutet darauf hin, dass die Einwegvorteile möglicherweise weiter verbreitet sind als bisher angenommen. Einseitige Vorteile wurden durchweg mit den extremeren kalten und trockenen Klimata in Verbindung gebracht, die begrenzter sind als heiße und nasse Klimata. Im Gegensatz dazu waren heiße und feuchte Klimazonen laut der Studie mit einer größeren Vielfalt an Wurzelmerkmalen verbunden.

Laughlin räumt ein, dass es, zumindest zum jetzigen Zeitpunkt, noch immer an groß angelegten empirischen Beweisen mangelt, um die kompromissökologische Theorie vollständig in Frage zu stellen. Diese Studie erweitert jedoch die vorherigen Tipps zu den Auswirkungen von Einwegvorteilen.

„Wir glauben, dass unsere Arbeit dazu beiträgt, die in bestimmten Klimazonen möglichen Merkmalskombinationen zu verstehen. Dies ist ein wichtiges Wissen für die Wiederherstellung von Ökosystemen in einer sich verändernden Welt“, sagt Liesje Mommer, Pflanzenökologin an der Wageningen University & Research.

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Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.