Urbanisierung und menschliche Aktivitäten haben einen erheblichen Teil des Landes auf der Erde verändert und zur Bildung städtischer Umgebungen geführt. Bei diesen städtischen Umgebungen handelt es sich um vom Menschen geschaffene Lebensräume, die ihren Bewohnern oft mehrere selektive Zwänge auferlegen.
Ein wesentliches Merkmal solcher Umgebungen ist das Vorhandensein undurchlässiger, wärmespeichernder Oberflächen aus Ziegeln, Stein, Asphalt und Beton. Bemerkenswert ist, dass diese Oberflächen städtische Wärmeinseln bilden, also Regionen mit erhöhten Oberflächentemperaturen.
Eine unerwartete Folge von Hitzestress ist die Auswirkung auf das Verhalten, die Physiologie und die Evolutionsverläufe der ansässigen Organismen. Obwohl mehrere Studien die Rolle des städtischen Hitzestresses auf die Evolution bei Tieren untersucht haben, sind seine Auswirkungen auf die Pflanzenentwicklung noch weitgehend unerforscht.
Um diese Lücke zu schließen, untersuchte ein Forscherteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Yuya Fukano von der Graduate School of Horticulture der Chiba-Universität, Japan, wie städtische Hitzeinseln die Blattfarben von Oxalis corniculata, auch bekannt als Kriechender Waldsauerampfer, beeinflussen.
Diese Pflanze weist vielfältige Blattfarben von Grün bis Rot auf und kommt sowohl in städtischen als auch nichtstädtischen Räumen auf der ganzen Welt vor. Untersuchungen legen nahe, dass diese Farbvariationen als evolutionäre Anpassung dienen, um die Pflanze vor Umweltstress zu schützen. Darüber hinaus wird angenommen, dass die roten Pigmente (Anthocyane) in den Blättern hitze- und lichtbedingte Schäden mildern, indem sie Licht abfangen und Antioxidantien bilden.
Um diese Evolutionstheorie zu untersuchen, führten Dr. Yuya Fukano und sein Team, bestehend aus Dr. Wataru Yamori von der Universität Tokio, Dr. Yuuya Tachiki von der Tokyo Metropolitan University und Dr. Kenta Shirasawa vom Kazusa DNA Research Institute, Feldbeobachtungen durch die Blattfarbenverteilung im Kriechenden Waldsauerampfer in städtischen und nichtstädtischen Regionen auf lokaler, landschaftlicher und globaler Ebene.
Ihre Studienergebnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte. „Wir haben festgestellt, dass die rotblättrigen Varianten des Kriechenden Waldsauerklees häufig in der Nähe von undurchlässigen Flächen in städtischen Gebieten wachsen, aber selten auf Ackerland oder Grünflächen in und um die Stadt wachsen“, sagt Dr. Fukano.
Das Team identifizierte ein Muster, bei dem grünblättrige Varianten des Kriechenden Waldsauerampfers die Grünflächen dominierten, während ihre rotblättrigen Gegenstücke die städtischen Gebiete Tokios sowohl auf lokaler als auch auf landschaftlicher Ebene dominierten. Bei der weiteren Untersuchung einer Online-Datenbank stellte das Team fest, dass diese geografischen Ergebnisse auf der ganzen Welt konsistent waren, und bestätigte damit einen Zusammenhang zwischen Urbanisierung und Blattfarbvariationen beim Kriechenden Waldsauerampfer.
Dies motivierte das Team, die adaptiven Vorteile dieser Blattfarbvariationen zu quantifizieren, indem es ihren Einfluss auf das Biomassewachstum und die Photosynthesefähigkeit unter Hitzestress- und Nicht-Hitzestress-Bedingungen in kontrollierten und unkontrollierten Kultivierungsexperimenten untersuchte.
Durch diese Experimente stellte das Team fest, dass die rotblättrigen Varianten bei hohen Temperaturen bessere Wachstumsraten und eine höhere Photosyntheseeffizienz aufwiesen, während die grünblättrigen Varianten bei niedrigeren Temperaturen gediehen. Infolgedessen gedeihen Rotblattvarianten aufgrund ihrer hohen Stresstoleranz tendenziell in städtischen Gebieten mit geringer Pflanzendichte. Das Gegenteil gilt für ihre grünen Gegenstücke, die in üppigen Grünflächen eine höhere Wettbewerbsfähigkeit beim Wachstum aufweisen.
„Obwohl sich an diesen Erkenntnissen in naher Zukunft nicht viel ändern wird, zeigt diese Studie eines der beliebtesten Beispiele für die fortlaufende Entwicklung, die in städtischen Gebieten beobachtet werden kann“, sagt Dr. Fukano.
Das Team führte auch genomweite genetische Analysen durch, die darauf hindeuteten, dass sich die rotblättrige Variante von O. corniculata möglicherweise mehrfach aus der ursprünglichen grünblättrigen Pflanze entwickelt hat. Zu den Implikationen dieser Ergebnisse sagt Dr. Fukano: „Städtische Wärmeinseln sind Vorläufer der globalen Erwärmung. Das Verständnis der schnellen adaptiven Entwicklung städtischer Organismen an hohe Temperaturen wird wertvolle Einblicke in die Ökosystemdynamik und die nachhaltige Pflanzenproduktion liefern.“
Diese Anpassungen an Hochtemperaturstress gehen wahrscheinlich über die Blattfarbe hinaus und rechtfertigen daher die weitere Erforschung verschiedener Pflanzenmerkmale, um ein umfassendes Verständnis der Pflanzenanpassung an städtische Wärmeinseln zu erhalten.
Mehr Informationen:
Yuya Fukano et al., Von Grün zu Rot: Städtischer Hitzestress treibt die Entwicklung der Blattfarbe voran., Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.abq3542. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3542