Transpiration bei Hitze

Der Klimawandel beschert uns laufend neue Hitzerekorde. Hitzewellen, nicht selten kombiniert mit Trockenheit, sind inzwischen dreimal so häufig und im Schnitt um 2.3 C heißer als früher. Solch kombinierte Ereignisse setzen vielen Pflanzen besonders stark zu. Pflanzen transpirieren zwar, um sich zu kühlen, wenn jedoch das erforderliche Wasser fehlt, fällt diese Klimaanlage aus. Die Spaltöffnungen der Blätter schließen, um ein Vertrocknen zu verhindern. Dadurch aber kann sich das Blatt massiv erwärmen und wird dann meist viel heißer als die umgebende Luft. Ab etwa 40 C treten erste Schäden auf. Aber auch wenn diese Klimaanlage ausgeschaltet ist, verlieren die Blätter noch immer geringe Wassermengen, da die Blatthaut nicht ganz wasserdicht ist und bei Hitze sogar noch undichter wird. Die Ursachen dieser zunehmenden Wasserundichtigkeit der Blatthaut bei Hitze werden im gegenständlichen Projekt untersucht. Moderne bildgebende Verfahren gelangen zum Einsatz, um molekulare und strukturelle Veränderungen in der Blatthaut sichtbar zu machen. Parallel dazu werden verschiedenstestressphysiologische Methoden angewandt, mit denen der Funktionsverlust der Blatthaut bei Hitze bemessen werden kann. Die Blatthaut enthält Cutin und Wachse, die bei Hitze schmelzen es ist nicht bekannt, ob das wasserdurchlässiger werden reversibel ist und ob eine diesbezügliche Abhärtung stattfinden kann. Auch macht die Dosis erst das Gift. Es gibt praktisch keinerlei Untersuchungen über den Effekt der Einwirkdauer von Hitze auf Pflanzen und die temperaturabhängigen Veränderungen der Wasserdurchlässigkeit der Blatthaut. Die schädigende Hitzedosis sowie die maßgeblichen Ursachen für die hitzeinduzierte, erhöhte Wasserdurchlässigkeit der Blatthaut sind somit noch weitgehend unbekannt. Pflanzen aus Lebensräumen mit unterschiedlicher zu erwartender Hitzedosis werden untersucht. Ausgeprägte Mittagshitze ist ein Phänomen des Gebirgslebensraumes und tritt vor allem bei kleinwüchsigen Pflanzenarten auf. Dort werden Spaliersträucher, Baumsämlinge und Gletschervorfeldpflanzen untersucht. In den Nepalesischen Tropen hingegen, in denen über Monate hinweg durchgehend Hitze vorherrscht, werden ausgewählte Bäume und Kräuter analysiert. Diese Studie beinhaltet zahlreiche Feldversuche und Laborexperimente und reicht von der molekularen Ebene bis auf das Individualniveau. Sie verspricht daher umfassende, neue Erkenntnisse über die Hitzeresistenz von Pflanzen. Die Ergebnisse sind für die Abschätzung des zukünftigen Hitzerisikos sowohl für Kulturpflanzen, als auch für Pflanzen natürlicher Lebensräume in einer global wärmer werdenden Welt von großer Bedeutung.

Pflanzen an der alpinen Baumgrenze müssen sich immer häufiger gegen Hitze und Trockenheit behaupten. Unser Projekt zeigt: Wie stark Hitze Blätter schädigt, hängt nicht nur von der Temperatur ab - entscheidend ist auch, wie lange die Hitze anhält. Je länger die Belastung dauert, desto niedriger liegt die kritische Temperatur, bei der es zu Funktionsverlusten kommt. Außerdem können sich Pflanzen in kurzer Zeit abhärten und ihre Hitzetoleranz deutlich steigern. Beides muss in Vorhersagen und Modellen berücksichtigt werden. Im alpinen Gelände haben wir stark unterschiedliche Mikroklimate direkt nebeneinander nachgewiesen: Auf südexponierten Hängen werden Blätter deutlich heißer, erhalten mehr direkte Sonne und sind stärkeren Winden ausgesetzt als auf Nordhängen. Beim Zwergstrauch Kalmia procumbens wurden auf Südhängen Blattspitzen von bis zu 54,4 C gemessen - Werte, die für bodennahe Pflanzen im Sommer realistisch sind. Wie reagieren Pflanzen darauf? Eine zentrale Schutzschicht ist die "Blatthaut" (Cuticula). Auf der heißeren Südseite bildet Kalmia procumbens eine dickere Cuticula aus und schützt sich damit besser vor Wasserverlust - besonders unter Hitze. Auf der Nordseite investieren die Blätter stärker in bestimmte sekundäre Inhaltsstoffe (Flavonoide), die eher mit biologischen Stressfaktoren zusammenhängen. Entscheidend ist: Nicht allein die Menge an Wachsen zählt. Die chemische Feinstruktur der Cuticula und ihre Dicke wirken zusammen und bestimmen, wie gut cuticulärer Wasserverlust begrenzt wird. Auch bei jungen und ausgewachsenen Nadelbäumen zeigt sich dieser Schutzmechanismus: Die immergrünen Koniferen, wie Fichte und Zirbe besitzen deutlich dickere Cuticulae als die nadelabwerfende Lärche. Zudem sind die Cuticulae ausgewachsener Nadeln dicker als die von Keimlingen - ein klarer Vorteil in Hitzephasen. Insgesamt deutet vieles darauf hin, dass das Überleben von Keimlingen an der Baumgrenze stark davon abhängt, wie hitzebeständig ihre Cuticula ist. Um Hitzeschäden schnell und verlässlich zu erfassen, haben wir ein Messverfahren weiterentwickelt, das mit wenig Probenmaterial auskommt und mehrere Schadensprozesse gleichzeitig sichtbar macht. Es zeigt: Hitzeschäden entwickeln sich schrittweise und betreffen unterschiedliche Funktionen im Blatt. So lassen sich hitzebedingte Schwellenwerte (z.B. LT10/LT50 - Temperaturen, bei denen 10 % bzw. 50 % Gewebe geschädigt sind) präziser bestimmen - eine wichtige Basis, um Arten vergleichbar zu bewerten und Vorsorgemaßnahmen abzuleiten. Unsere Ergebnisse liefern damit konkrete Ansatzpunkte für den Schutz und die Regeneration subalpiner Wälder: Südexponierte, trocken-heiße Standorte sind für die Etablierung von Jungpflanzen besonders herausfordernd. Zugleich zeigen die Befunde, dass die feine Abstimmung von Cuticula-Struktur und -Chemie ein Schlüssel für die Anpassungsfähigkeit an künftige, wärmere und trockenere Bedingungen ist - und damit für die Dynamik der Baumgrenze in einem sich wandelnden Klima.