Können sich Pflanzen angesichts der schnell zunehmenden Hitze und Trockenheit anpassen?

In einer Zeit, in der der Klimawandel viele Gebiete des Planeten heißer und trockener macht, ist es ernüchternd zu glauben, dass Wüsten relativ neue Biome sind, die in den letzten 30 Millionen Jahren erheblich gewachsen sind. Weit verbreitete Trockengebiete wie die Wüsten, die heute einen Großteil des westlichen Nordamerikas bedecken, begannen erst in den letzten 5 bis 7 Millionen Jahren zu entstehen.

Zu verstehen, wie Pflanzen, die in diese rauen Wüstenbiome eindrangen, überleben konnten, könnte helfen, vorherzusagen, wie es den Ökosystemen in einer trockeneren Zukunft ergehen wird.

Eine intensive Untersuchung einer Gruppe von Pflanzen, die vor Millionen von Jahren erstmals in aufstrebende Wüsten eindrangen, kommt zu dem Schluss, dass diese Pioniere – Felsengänseblümchen – nicht ohne Ausrüstung waren, um mit Hitze, sengender Sonne und Wassermangel fertig zu werden. Sie hatten Anpassungen an solche Belastungen entwickelt, während sie auf trockenen, exponierten Felsvorsprüngen in älteren, feuchteren Gebieten und sogar tropischen Wäldern lebten, was es ihnen erleichterte, in expandierende Trockengebiete einzudringen.

Der Forscher Isaac Lichter-Marck von der University of California, Berkeley, und Bruce Baldwin, Professor für integrative Biologie an der UC Berkeley, Kurator des Jepson Herbariums und Chefredakteur von „The Jepson Desert Manual: Vascular Plants of Southeastern California“ (2002), veröffentlichten ihre Studie darüber die Entwicklung von Felsengänseblümchen in nordamerikanischen Wüsten diese Woche in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Die Studie ist die erste, die Beweise liefert, um eine langjährige evolutionäre Debatte zu lösen: Haben sich ikonische Wüstenpflanzen wie die stattlichen Saguaro-Kakteen, die flammenden Ocotillos und die Seussischen Agaven erst an trockene Bedingungen angepasst, nachdem sie in die Wüste eingedrungen sind, oder kamen sie vor -Angepasst an die Belastungen des Wüstenlebens?

Die Frage ist heute relevant, sagte Lichter-Marck, denn die beschleunigte Trockenheit aufgrund des Klimawandels fordert Pflanzen heraus, sich viel schneller als in der Vergangenheit anzupassen. Bereits jetzt ist etwa ein Fünftel der Landoberfläche der Erde Wüste. Wenn die Anpassung an trockene Bedingungen nur für Pflanzen möglich war, die sich bereits entwickelt hatten, um mit solchen Belastungen fertig zu werden, dann sind viele heute möglicherweise nicht mit einem angemessenen genetischen Werkzeugkasten ausgestattet, um zu überleben.

„Wenn Sie die Trockenheit nur als Stimulus für die Pflanzenevolution betrachten, dann könnten die Menschen in vielen Fällen sagen, dass diese Pflanzen überlebensfähig sind, sie sind anpassungsfähig und es wird ihnen gut gehen. Sie werden diese neuen Bedingungen nutzen und sie werden gedeihen. “, sagte Lichter-Marck, der auch Postdoktorand der National Science Foundation an der UCLA ist.

Aber die Geschichte der Steingänseblümchen deutet darauf hin, dass „als die Wüsten entstanden, diejenigen Pflanzen gediehen, die die notwendigen Voranpassungen hatten, um neue Bedingungen zu nutzen“, sagte er. „Das Hinzufügen von mehr Aridifizierung zum System bedeutet nicht unbedingt, dass eine schnellere adaptive Evolution stattfinden wird. Es gibt eine begrenzte Quelle von Abstammungslinien, die neue Trockenheitsgrade nutzen können, und das ist wichtig, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Biodiversität zu verstehen.“

Sieben Jahre durch die Wüste streifen

Botaniker haben vor langer Zeit erkannt, dass sich Pflanzen, als sie in Wüstengebiete eindrangen, schnell diversifizierten, um die vielen Nischen zu füllen, die durch diese neue Art von Lebensraum geschaffen wurden.

„Noch vor 1 Million bis 1,5 Millionen Jahren wäre es schwierig gewesen, weit verbreitete Wüstenlebensräume zu finden, wie wir sie heute in Nordamerika sehen, was irgendwie überraschend ist, da Wüsten und trockene Lebensräume heute das am weitesten verbreitete Biom auf der Erde sind. “, sagte Lichter-Marck. „Aber während des späten Miozäns breiteten sich trockene Lebensräume aus, und die Abstammungslinien der Wüstenpflanzen der Welt, insbesondere die sukkulenten Abstammungslinien wie die Kakteen, die Agaven und die Eispflanzen – sowie viele andere dürretolerante Abstammungslinien – erfuhren eine synchrone schnelle Diversifizierung. “

Paläontologen wiesen jedoch darauf hin, dass versteinerte Pflanzen, die Millionen von Jahren vor der Ausbreitung der Wüste gediehen, ähnliche Eigenschaften wie heutige Wüstenpflanzen aufwiesen. Einige Wissenschaftler, wie der verstorbene Paläoökologe Daniel Axelrod von der UCLA und der UC Davis, argumentierten, dass dies bedeutete, dass sich die Pflanzen, die heute in der Wüste gediehen, früher entwickelt hatten und vorab angepasst – oder exaptiert – wurden, um Wüstenbedingungen zu überleben, indem sie in trockenen Mikrostandorten wuchsen, wie z Felsvorsprünge, Regenschatten oder Berggipfel. Andere, wie Ledyard Stebbins von der UC Berkeley, ein Evolutionsbiologe, der an der Gründung des UC Davis Department of Genetics beteiligt war, argumentierten, dass die Trockenheit selbst Pflanzen dazu anspornte, sich zu diversifizieren und Eigenschaften zu entwickeln, um Trockenheit, Hitze, intensivem Sonnenlicht und starken Winden standzuhalten.

Trotz der Ähnlichkeiten zwischen Felsvorsprüngen und Wüsten war es schwierig zu beweisen, dass Wüstenpflanzen von Pflanzen abstammen, die bereits an die Belastungen der Trockenheit angepasst waren, zum Teil, weil sich Fossilien selten in trockenen Lebensräumen bilden und uns nicht viel über den Lebensraum sagen können, in dem diese alten Pflanzen wuchsen.

Für Lichter-Marck und Baldwin schienen Felsen-Gänseblümchen, die in der Tribus Perityleae in der Familie der Sonnenblumengewächse eingeordnet werden, eine gute Gruppe zu sein, um die Verbindung zu erforschen. Einige Arten leben auf trockenem, exponiertem Gestein in tropischen Gebieten Mexikos – was als „Mikrowüsten“ bezeichnet werden könnte – während andere sich vollständig an Wüstengebiete angepasst haben, wie die Mojave in Kalifornien und die Wüsten Great Basin, Chihuahuan und Sonora, die sie bedecken den größten Teil des westlichen Nordamerikas.

„Pflanzen, die auf Felsvorsprüngen leben, stehen vor vielen der gleichen Herausforderungen wie Pflanzen, die in einem trockenen Wüstenlebensraum leben“, sagte Lichter-Marck. „Felsvorsprünge sind in der Regel UV-Licht, Wind und trockenen, austrocknenden Bedingungen sowie Hitze und Frost ausgesetzt. Außerdem sind sie tendenziell stärker Pflanzenfressern ausgesetzt.

„Die Art und Weise, wie Pflanzen mit ihnen umgehen, ist vielfältig, aber sie beinhalten normalerweise eine Art spezialisierte Wurzelmorphologie, die ihnen hilft, sich in Felsvorsprüngen zu verankern und mit den erhöhten trockenen Bedingungen fertig zu werden. Und sie neigen dazu, kleinere Blätter oder Blätter zu haben mit einer dichten Behaarung, die hilft, sie gegen Trockenheit zu schützen und Sonnenlicht, einschließlich UV-Licht, zu blockieren. Sie neigen auch dazu, eine erhöhte chemische Abwehr gegen Pflanzenfresser zu haben, weil es viel Energie braucht, um sich nach dem Essen zu regenerieren.

Für seinen Ph.D. Während seiner Doktorarbeit in der Abteilung für Integrative Biologie und im Jepson Herbarium durchstreifte Lichter-Marck, ein gebürtiger Südkalifornier, monatelang in einem Pickup-Truck die Wüsten von Arizona, Kalifornien, Texas und Mexiko, begleitet von seinem Blue Heeler Rio , um Hunderte von Exemplaren von Felspodesten zu sammeln. Einige Felsengänseblümchen gehören zu den dramatischsten Blüten im Frühling und überziehen die Wüste mit farbenfrohen Blüten. Viele sind jedoch auf kleine geografische Regionen beschränkt, in denen sie nur an senkrechten Felswänden oder Bergketten von Himmelsinseln wachsen, was das Sammeln gefährlich macht. Lichter-Marck ist ein erfahrener Bergsteiger, eine wichtige Voraussetzung für die Feldarbeit in unwegsamem Gelände.

Später sequenzierte er die DNA dieser Exemplare – 73 der 84 anerkannten Arten von Rock Daisy – und katalogisierte ihre Lebensgeschichten, z. B. wo sie gewachsen sind, welche Art von Wurzelsystem sie hatten und ob sie einjährig oder mehrjährig waren, ein Kraut oder ein Strauch. Dann verglich er sie mit versteinerten Gänseblümchen, um eine grobe Zeitachse der Entwicklung dieser Merkmale und der eventuellen Verlagerung der Linie in Wüsten zu entwickeln.

Daraus schloss er, dass sich die meisten Felsen-Gänseblümchen – insbesondere die Gattung Laphamia, die als erste in Wüsten einwanderte und die größte Felsen-Gänseblümchen-Gattung ist – an den Stress durch Hitze, Trockenheit, Wind und Sonne angepasst hatten Wachstum auf Klippen, bevor sie in Wüsten eindringen.

„Dies ist eine klare empirische Demonstration dessen, was ursprünglich Axelrods Hypothese war – einer Gruppe von Wüstenpflanzen, die ihren Ursprung in trockenen Mikroklimata vor der weit verbreiteten Entstehung von Wüstenhabitaten hatte“, sagte Lichter-Marck. „Dies bedeutet, dass die für die Wüstenvegetation so charakteristischen Strategien zur Dürretoleranz möglicherweise keine Reaktionen auf die Trockenheit in Wüsten darstellen. Stattdessen könnten sie Merkmale sein, die sich früher in Verbindung mit viel älteren und stabileren trockenen Mikroklimata entwickelt haben , wie Felsvorsprünge in tropischen Umgebungen.“

Voradaptation könnte der Schlüssel zum Erfolg vieler Wüstenpflanzen sein, einschließlich Kakteen, von denen bekannt ist, dass sie Felsvorsprünge bewohnen oder als Epiphyten in den Baumkronen in tropischen Gebieten wachsen, obwohl diese großen Abstammungslinien eine viel umfassendere Analyse erfordern würden, sagte er .

Felsen-Gänseblümchen, von denen viele in spezialisierten Lebensräumen leben, die sie vom Aussterben bedroht machen, unterstreichen die Bedeutung der Erhaltung scheinbarer Nischenarten.

„Viele der Felsen-Gänseblümchen sind sehr spezialisiert und neigen dazu, sehr eng in ihrer Verbreitung zu sein und könnten als weniger bedeutsam für das Überleben des Ökosystems als Ganzes angesehen werden. In der Evolutionsbiologie und in der Naturschutzbiologie spezialisierte Organismen mit engen geografischen Verbreitungsgebieten werden oft als verwundbare Abstammungslinien angesehen und manchmal sogar als evolutionäre Sackgassen bezeichnet“, sagte er. „Eine wichtige Implikation hier ist, dass eine Gruppe von ökologischen Spezialisten, die auf verstreuten Klippen in tropischen Lebensräumen wachsen, diese große Strahlung in der Wüste ausgelöst hat. Das zeigt also tatsächlich, dass Spezialisten nicht nur diese gefährdeten Linien am Rande des Aussterbens sind. Sie könnten es tatsächlich sein wirklich wichtige Quellen für Innovation in der Evolution.“

Lichter-Marck dehnt seine Studie über Pflanzen, die auf Felsvorsprüngen wachsen, derzeit auf Hawaii aus, wo viele seltene endemische Arten nur an den Hängen steiler Berge leben. Anstatt gefährliche Klippen zu erklimmen, um seltene Exemplare zu erreichen, hofft er jedoch, Drohnen einzusetzen.