Das Verständnis, wie Pflanzen mit Klimaextremen und Weidedruck zurechtkommen, ist wichtig für zuverlässige Vorhersagen über die künftige Artenvielfalt und das Funktionieren von Trockenland-Ökosystemen.
Ein internationales Team unter der Koordination von Fernando Maestre von der KAUST hat untersucht, wie 20 chemische und morphologische Funktionsmerkmale von Pflanzen gemeinsam auf Veränderungen der Trockenheit und des Weidedrucks in Trockengebieten weltweit reagieren.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Natur.
Man könnte davon ausgehen, dass zunehmende Trockenheit und Weidedruck die Pflanzenvielfalt verringern. Die Vielfalt der Pflanzenmerkmale – einschließlich wichtiger Merkmale, die mit dem Nährstoffkreislauf zusammenhängen, wie z. B. spezifische Blattfläche und chemische Zusammensetzung des Blattwerks – nahm jedoch ab einem Trockenheitsgrenzwert von 0,7 (nahe dem Übergang zwischen semiariden und ariden Zonen) tatsächlich zu. Diese Merkmalsvielfalt nahm mit zunehmendem Weidedruck in ähnlicher Weise zu.
„Globale Initiativen zur Beschreibung der Merkmalsvielfalt von Pflanzen haben sich auf die Morphologie der Pflanzen und den Kohlenstoffhaushalt der Blätter konzentriert, dabei aber die Vielfalt der chemischen Elemente vernachlässigt, die das Überleben und Wachstum der Pflanzen sichern“, sagt Maestre, der diese Studie im Rahmen der von ihm konzipierten globalen BIODESERT-Umfrage mitgeleitet hat.
„Die Elementkonzentration in Pflanzenblättern hat große Auswirkungen auf die Pflanzenentwicklung und bestimmt, wie Pflanzen auf Weidedruck und Wasserknappheit reagieren“, sagt er.
Das Team führte eine Feldstudie durch, um die Auswirkungen von Trockenheit und Weidedruck auf die chemische und morphologische Merkmalsvielfalt mehrjähriger Pflanzen in Trockengebieten weltweit zu untersuchen. Sie wählten 98 Standorte aus 25 Ländern aus, die den Trockenheitsgradienten repräsentieren, über den Trockenweideland weltweit zu finden ist. Jeder Standort umfasste mehrere Parzellen, die lokale Gradienten des Weidedrucks abdeckten (von unbeweidet bis zu hohem Weidedruck), wobei insgesamt 326 Parzellen untersucht wurden.
Variationen in funktionellen Merkmalen von Pflanzen spiegeln Verschiebungen in Anpassungsstrategien von Pflanzen an sich ändernde Umweltbedingungen wider. Die Ergebnisse zeigen, dass Trockenheit und Beweidung einen ähnlichen Effekt auf die Vielfalt von Pflanzenmerkmalen haben, indem sie eine breite Palette von Strategien zur Bewältigung von Wassermangel und Beweidung fördern.
Sie maßen Merkmale im Zusammenhang mit der Konzentration von 14 chemischen Elementen in Pflanzenblättern, der Blatt- und Pflanzengröße sowie dem Kohlenstoffhaushalt des Blattes (Blattfläche und Blatttrockenmasse). Die Ergebnisse liefern wertvolle Informationen, um zu erforschen, wie Trockenheit und Beweidung die beobachteten Kovariationen und Kompromisse zwischen mehreren morphologischen und chemischen Pflanzenmerkmalen in Trockengebieten weltweit beeinflussen.
Hohe Trockenheitsgrade förderten auch funktionell kontrastierende Strategien: Beispielsweise verfolgten große Arten mit schnell wachsenden Blättern Strategien zur Stressvermeidung (hoher NPK-Gehalt und niedriger Trockenmassegehalt der Blätter) und kleine konservative Arten verfolgten Strategien zur Stresstoleranz (niedriger NPK-Gehalt und hoher Trockenmassegehalt der Blätter) mit entweder niedrigen oder hohen Mg-Ca- und Zn-Na-Konzentrationen in den Blättern.
„Diese elementaren Strategien können die gegensätzliche Rolle chemischer Elemente in Pflanzen widerspiegeln, entweder als Mittel zur Toleranz gegenüber hoher Trockenheit oder als Grundelemente für Abwehrstoffe gegen Weidetiere“, erklärt Maestre.
Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Gefäßpflanzen auf biotische Stressfaktoren und Umweltextreme reagieren, und wirft Licht auf die Frage, wie Pflanzenmerkmale durch eine gleichzeitige Zunahme von Trockenheit und Weidedruck geprägt werden können. Ein wichtiges Ergebnis war, dass mehr als die Hälfte der beobachteten Merkmalsvielfalt nur in den trockensten und beweidetsten Trockengebieten auftrat, was die phänotypische Einzigartigkeit dieser extremen Umgebungen unterstreicht.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Trockengebiete als globales Reservoir phänotypischer Pflanzenvielfalt fungieren, und stellen die weit verbreitete Ansicht infrage, dass raue Umweltbedingungen die Merkmalsvielfalt von Pflanzen verringern.
„Unsere Ergebnisse unterstreichen auch, wie wichtig es ist, die chemische Zusammensetzung einer Pflanze (das Elementon) zu berücksichtigen, um die Reaktionen der Artenvielfalt in Trockengebieten auf den fortschreitenden Klimawandel zu verstehen“, sagt Maestre. „Pflanzen könnten viele alternative Strategien haben, um mit zunehmenden Umweltbelastungen durch Klimawandel und Intensivierung der Landnutzung umzugehen.“
Maestre, der im Februar 2024 zu KAUST kam, führte die Studie in seiner vorherigen Position an der Universität Alicante durch. Er plant, die BIODESERT-Umfrage auf die ariden und hyperariden Ökosysteme Saudi-Arabiens auszuweiten.
„Derartige Forschungen würden zur Überwachung der terrestrischen Ökosysteme in Saudi-Arabien beitragen, wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie die saudische Pflanzenvielfalt auf den fortschreitenden Klimawandel reagieren kann, und bei der Auswahl der für jede saudische Region am besten geeigneten Arten helfen, die in laufenden und zukünftigen Begrünungsprogrammen zum Einsatz kommen sollen“, sagt er.
Mehr Informationen:
Nicolas Gross, Unvorhergesehene phänotypische Vielfalt der Pflanzen in einer trockenen und beweideten Welt, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07731-3. www.nature.com/articles/s41586-024-07731-3