Höhenprofil der Frosthärte in wachsenden Blättern

Forschungsprojekt P 14524Höhenprofil der Frosthärte in wachsenden BlätternGilbert NEUNER08.05.2000 Gefrierstress ist einer der wichtigsten natürlichen Umweltbelastungen, der die Verbreitung vieler Pflanzenarten mitbestimmt. Frostschaden stellen regional einen bedeutsamen Faktor für die Bildung der alpinen Waldgrenze dar. Nach derzeitigen Prognosen in Hinblick auf eine Klimaerwärmung dürften Frostschäden die Verbreitungsgrenzen einiger Pflanzenarten empfindlich beeinflussen. Die Kenntnis der Frosthärte von Blättern wahrend des Knospentreibens und der Vegetationsperiode ist daher besonders wichtig, da letztlich das empfindlichste Entwicklungsstadium den Fortbestand einer Art in einem bestimmten Lebensraum bestimmt. Vollständige Datensätze über die Frosthärte von wachsenden Blättern von Wildpflanzen sind jedoch kaum vorhanden. Die kritischen Temperaturschwellen in Blättern europäischer Pflanzenarten liegen zwischen -1.5 und- 12.5 C. Diese Daten sind jedoch schwer vergleichbar und kaum in Modellen einsetzbar, weil unterschiedliche Testmethoden, Testzeiten, Frosthärtedefinitionen, das Vernachlässigen potentiell kurzfristiger Frostab und - enthärtungen, und die Bestimmung der Frosthärte an abgeschnittenen Blättern große Unsicherheitsfaktoren sind. Das Überleben von Frösten dürfte mit diesen Daten nicht ausreichend abgeschätzt werden können. Durch die Entwicklung einer neuen Ausrüstung sollen im natürlichen Lebensraum kritische Temperaturschwellen für das Überleben von Frost und deren Variabilität gemessen werden, die als zuverlässige Basis für zukünftige Modellierungen dienen können. Durch Auswahl eines ganzen Artenspektrums wollen wir die einmalige Lage von Innsbruck ausnützen, wo in unmittelbarer Nähe verschiedene pflanzliche Lebens- und Wuchsformen von der unteren montanen bis hinauf in die nivale Stufe (600 m - 2600 m) an ihrem natürlichen Standort in Mitten und an den Grenzen ihrer natürlichen Verbreitung untersucht werden können. Ein und dieselbe Pflanzenart kann unter verschiedenen Umweltbedingungen und in verschiedenen Entwicklungsstadien zur selben Zeit und für einen längeren Zeitraum aufgrund der durch die Seehöhe bedingten unterschiedlichen Austriebszeiten gemessen werden. Da alpine Lebensraume stress-dominiert sind, weil abiotische Faktoren über biotische Faktoren dominieren, werden alpine Pflanzenarten besonders sensibel auf Klimaveranderungen reagieren (Bioindikatoren des Klimas). Durch die Untersuchungen eines breiten Artenspektrums sollen allgemeine Merkmale und verschiedene Frosthärtemechanismen analysiert werden, die bedeutsam für das Überleben von Frost während der Wachstumsperiode und darüber hinaus für Modellierungen die künftige Verbreitung von Pflanzen betreffend sind.

Frost setzt vielfach die Verbreitungsgrenze von Pflanzen. Pflanzenzellen sind nicht zu allen Zeiten gleich anfällig für Frostschäden. Die frostempfindlichste Phase ist während des Knospentreibens und im Sommer. Wärmere Winter in Folge der Klimaänderung lassen Pflanzen verfrüht austreiben, was das Risiko von Spätfrostschäden erhöht. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen eine enorme Variabilität der Frosthärte innerhalb einer Art während des Austreibens und im Sommer von bis zu 11C, wobei die austreibende Blätter (zwischen 0 und 60% der vollständigen Entfaltung) am frostempfindlichsten sind. Dies relativiert frühere Klimawandelmodelle und erschwert die tatsächliche Prognose von Spätfrostschäden und damit die potentielle klimaänderungsbedingte Verschiebung von Verbreitungsgrenzen von Pflanzen. Bisher war man nämlich von einer relativ, stabilen Frosthärte der Blätter während des Knospentreibens und der Vegetationsperiode ausgegangen. Je nach Pflanzenart galten Fröste zwischen -1.5 und -12.5C als kritisch. Die Variabilität der Frosthärte wurde an einem breiten Arten- und Wuchsformspektrum, aus Tallagen bis hin zu den höchststeigenden Gebirgspflanzen, untersucht. Bei den Baumarten nahm mit zunehmender oberer Verbreitungsgrenze tendenziell auch deren Frosthärte zu. Obwohl Waldgrenzbäume frosthärter als Bäume der Tallagen waren, erfrieren dennoch in mehrjährigen Abständen immer wieder ihre Neutriebe in Spätfrösten, was lokal durchaus mit ein Grund für die Bildung der Waldgrenze sein dürfte. Bei den höchststeigenden Pflanzen wurden neben sehr frostharten auch extrem frostempfindliche Arten gefunden, die dafür aber ein rasches Restitutionsvermögen nach Frostschädigung aus unterirdischen Pflanzenteilen aufwiesen. Durch die Entwicklung eines Instrumentariums zur Messung der Frosthärte und der Eisbildung in Pflanzen am Naturstandort wurden völlig neue Einsichten möglich. Entgegen der früheren Annahme wurde auch im Sommer eine Eisbildung im Gewebe außerhalb der Zelle bei allerdings artspezifisch unterschiedlichen Gefriertemperaturen (-0.6 - -3.5C) registriert. Frostschäden entstanden dabei noch keine. Doch das Eis entzieht den Zellen sukzessive Wasser und die Eiskristalle drücken in die Zellen hinein, was eine enorme mechanische Belastung darstellt. Bei weiterer Temperaturerniedrigung wurde bei den meisten Arten eine zweite, in der Zelle stattfindende Eisbildung zeitgleich mit eintretenden Frostschäden registriert. Nur bei besonders frostharten alpinen Kräutern und Polsterpflanzen konnte kein zweites Frieren gemessen werden. Frostschäden entstehen bei diesen Spezialisten offenbar durch Zellentwässerung, so wie bei anderen Pflanzen im Winter. Damit sind diese Arten physiologische Modellorganismen, die aufzeigen können, wie z.B. frostempfindlich Kulturpflanzen im vegetationsaktiven Zustand Fröste überdauern könnten.