Tomaten ertränken für die Wissenschaft

Wegen des Dröhnens der Gewächshausventilatoren kann ich Esther Ngumbi kaum hören, als sie mir ihr Dachlabor in Morrill Hall zeigt. Die Bänke sind voller Tomatenpflanzen, und die Tomaten sehen nicht gut aus. Die Hälfte der Pflanzen steht in Wasserbehältern. Ihre Blätter sind gelb und verwelken. Einige der sterbenden Tomaten haben geblüht. Ich sehe ein oder zwei Babytomaten an ein paar dürren Pflanzen.

Dies ist nicht die einzige Folter, die den Tomaten zugefügt wird. Jemand hat kleine Beutel an ihre Stiele gebunden. In den Beuteln fressen dicke grüne Raupen die Tomatenblätter.

Die Entomologieprofessorin Ngumbi hat viele Fragen und möchte einige davon auf diese Weise beantworten. Sie überschwemmt die Tomaten absichtlich, um zu sehen, wie sie auf Überschwemmungen auf den Feldern der Bauern reagieren – ein Szenario, das infolge des Klimawandels immer häufiger vorkommt.

„In der Natur sind Pflanzen bei Überschwemmungen vielen Stressfaktoren ausgesetzt“, sagt Ngumbi. „Sobald die Tomaten überschwemmt werden, sind sie bereits geschwächt und ziehen daher höchstwahrscheinlich Insekten an, die schwächere Pflanzen gerne fressen. Wir untersuchen, wie die Pflanzen mit dem kombinierten Stress von Überschwemmung und Pflanzenfraß umgehen.“

Dies erklärt die Raupen. Es handelt sich um die Larvenform von Manduca sexta, dem Tabakschwärmer. Sie ernähren sich von einer der beiden traditionellen Tomatensorten, die Ngumbi im Experiment verwendet: Cherokee Purple und Striped German.

Die Hälfte der Tomatenpflanzen im Gewächshaus wird nicht überflutet, sodass das Team die gestressten Pflanzen mit denen vergleichen kann, die unter normaleren Bedingungen wachsen. Aber hier laufen noch weitere Untersuchungen.

„In diesem Experiment untersuchen wir auch die Mikroben“, sagt Ngumbi. „Wir wollen verstehen, wie sich die mikrobielle Gemeinschaft unter Überschwemmungsbedingungen verändert.“

Einer von Ngumbis Hauptinteressen ist die Frage, wie Bodenmikroben die Gesundheit und Produktivität von Pflanzen beeinflussen. Sie ist fasziniert von Mykorrhizapilzen, die eine enge Bindung mit Pflanzenwurzeln eingehen und den Pflanzen im Austausch für von den Wurzeln gelieferte Glukose wichtige Elemente wie Stickstoff liefern.

Die Tomatenpflanzen wachsen alle in Erde von einer Farm in Illinois, aber die Hälfte wurde zusätzlich mit Mulch von einem örtlichen Bauern geimpft, der sein eigenes Rezept zur Pflege von Mykorrhizapilzen im Boden entwickelt hat. Ngumbi möchte herausfinden, ob diese Impfung die Abwehrfähigkeit der Pflanzen gegen die dicken Raupen verbessert.

Um die Abwehrkräfte der Pflanzen zu messen, sammelt Ngumbis Team Proben der von den Pflanzen abgegebenen Gase und untersucht sie auf flüchtige organische Verbindungen. Dabei handelt es sich um Chemikalien, die die Pflanzen verwenden, um Insekten abzuwehren, die sie fressen würden.

Zwei Jahre später, Ngumbi veröffentlicht die Ergebnisse dieser und anderer Laborexperimente. Sie fand heraus, dass sich die beiden Tomatensorten in der Genexpression und in den von ihnen abgegebenen flüchtigen Verbindungen unterschieden – und zwar vor jedem Eingriff. Und bei Überschwemmungen zeigten beide Tomatensorten ganz andere chemische Emissionsprofile als unter normalen Bedingungen. Pflanzenfresser beeinflussten die Produktion dieser flüchtigen Verbindungen, aber nicht so stark wie Überschwemmungen.

Heute werden die Experimente fortgesetzt und Ngumbis Interesse an den Auswirkungen von Überschwemmungen hat sich nur noch verstärkt. In einer neuen Studie veröffentlicht im Journal Trends in der Pflanzenforschungerläutert sie die vielen Veränderungen, die auftreten, wenn Pflanzen tage- oder wochenlang unter Wasser stehen.

„Überschwemmungen unterscheiden sich von anderen klimabedingten Stressfaktoren, weil sie den Pflanzen Sauerstoff entziehen, ein wesentliches und unverzichtbares Element und Substrat für Wachstum und Entwicklung“, schreibt Ngumbi. Überschwemmungen stören den Stoffwechsel und die Energieerzeugung der Pflanzen. Sie beeinträchtigen die Photosynthese. Überschwemmungen töten nützliche Bakterien und fördern die Ausbreitung pathogener Mikroben im Boden. Außerdem können sie die Abwehrfähigkeit der Pflanzen gegen Krankheiten und schädliche Insekten wie den Tabakschwärmer beeinträchtigen.

Ngumbi warnt auch, dass vermehrte Überschwemmungen jahrzehntelange Forschungen zunichte machen könnten, die darauf abzielen, Pflanzen widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen. Überschwemmungen könnten Bemühungen zunichte machen, die Bodenqualität und mikrobielle Gesundheit zu verbessern, um Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Stressfaktoren wie Hitze und Dürre zu machen. Überschwemmungen könnten auch die durch Gentechnik oder Pflanzenzucht erzielten Erfolge zunichte machen.

Es wird erwartet, dass Intensität und Häufigkeit von Überschwemmungen bei jedem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ein Grad Celsius um etwa sieben Prozent zunehmen, schreibt Ngumbi. Wissenschaftler müssten daher die Auswirkungen von Überschwemmungen berücksichtigen, um „die enormen Erfolge bei der Züchtung klimaresistenter Nutzpflanzen zu schützen“.