Die Hydraulik von Bäumen: Einfluss des Samenmaterials

Als langlebige Pflanzen sind Bäume ganz besonders auf einen optimierten Wasserhaushalt und die Fähigkeit sich an ändernde Bedingungen anpassen zu können angewiesen. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist eine hohe Plastizität in relevanten hydraulischen und anatomischen Merkmalen. Stressfaktoren können aber nicht nur direkte Auswirkungen auf die Pflanze selbst haben, sondern auch auf deren Nachkommen. Das Ziel dieses Projektes ist es 1) den Einfluss von Umweltbedingungen während der Samenreife auf die Trockenheitstoleranz der nachfolgenden Generation zu erforschen, und dadurch 2) die Plastizität verschiedener hydraulischer und anatomischer Merkmale, sowie das Akklimatisierungspotential von jungen Bäumen abschätzen zu können. Dazu sollen an Jungpflanzen, deren Eltern verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt waren, hydraulische (Wasserpotential, hydraulische Sicherheit und Effizienz, Stomataverhalten, Trockenheitstoleranz lebender Blattgewebe) und anatomische Messungen (Holzanatomie), sowie Biomasse und Wuchs analysiert werden. Die Messungen dazu werden sowohl mit altbewährten als auch mit modernen Techniken durchgeführt. Für die jüngsten Entwicklungsstadien müssen spezielle Methoden wie z.B. die Rehydrationskinetik, Ultraschalltechnik oder die Röntgentomographie adaptiert werden. Einige dieser Methoden wurden bereits erfolgreich an Baumkeimlingen getestet. Das Projekt umfasst drei Teile: Im ersten Teil werden die Messungen an dreijährigen Pflanzen von Larix decidua, Picea abies und Pinus sylvestris durchgeführt. Diese Pflanzen wurden aus Samen gezogen, die in verschiedenen Jahren (warmrocken bzw. kühl/feucht) und an verschiedenen Standorten gesammelt wurden. Ein Teil der Pflanzen soll zudem Trockenstress unterzogen werden, um auch das Akklimatisierungspotential der verschiedenen Ansätze abschätzen zu können. Im zweiten Teil des Projektes wird das Entwicklungsstadium der Jungpflanzen miteinbezogen. In zwei aufeinander folgenden Jahren werden an je zwei verschiedenen Standorten (trocken bzw. feucht) Samen von Picea abies, Pinus sylvestris, Fagus sylvatica und Sorbus aucuparia gesammelt und angezogen. An den Keimlingen, sowie am Ende der ersten und zweiten Vegetationsperiode werden dann Messungen zur Trockenheitstoleranz durchgeführt. Der dritte Teil steht in Zusammenhang mit einem langjährigen Beregnungsexperiment in einem inneralpinen Trockental. Dazu werden Samen von bewässerten und unbewässerten Bäumen (Pinus sylvestris) gesammelt und angezogen. Nach der zweiten Vegetationsperiode werden die entsprechenden hydraulischen und anatomischen Messungen durchgeführt. Dieses Projekt wird neue und wichtige Informationen zur Hydraulik von Bäumen liefern. Es ist die erste Studie, die sich mit den Auswirkungen von Umweltbedingungen während der Samenreife auf die Hydraulik der Nachkommen bei Bäumen beschäftigt und eine der wenigen Studien die sich mit der Trockenheitstoleranz im Zuge der Keimlingsetablierung auseinandersetzt. Außerdem wird sie wertvolle Informationen zur Plastizität verschiedener Merkmale liefern. Die Ergebnisse sind nicht nur von Bedeutung für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet des pflanzlichen Wasserhaushalts, sondern auch im angewandten Bereich, etwa der Forstwirtschaft, und insbesondere hinsichtlich des zu erwartenden Klimawandels relevant.

Die erfolgreiche Etablierung von Keimlingen ist ausschlaggebend für das Überleben und die zukünftige Verbreitung von Pflanzenarten. Dies trifft besonders auf langlebige Holzpflanzen zu, welche oft erst spät in ihrem Leben reproduktiv werden. Gerade juvenile Pflanzen sind aber sehr empfindlich gegenüber biotischen und abiotischen Stressfaktoren und insbesondere gegenüber Trockenheit. Bedingt durch das noch schwach entwickelte Wurzelsystem und den limitierten internen Wasserspeicherkapazitäten ist die trockenheitsbedingte Keimlingssterblichkeit sehr hoch. Ein optimal ausgewogener Wasserhaushalt, eine ausreichende Trockenheitstoleranz und die Möglichkeit, sich entsprechend an die Umweltbedingungen anzupassen, sind somit von zentraler Bedeutung für Keimlinge und Jungpflanzen. Trotzdem waren bislang aufgrund methodischer Probleme kaum hydraulische Untersuchungen an Baumkeimlingen verfügbar. Unbekannt war auch, wie sich klimatische Bedingungen während der Samenreife auf die Verwundbarkeit des Wassertransportsystems der Nachkommen auswirken können. Um erste wichtige Erkenntnisse in diesem Zusammenhang zu gewinnen, wurden Samen aus verschiedenen Reifejahren (warm-trocken versus kalt-feucht) bzw. Samen von unterschiedlich gut wasserversorgten Mutterpflanzen zur Keimung gebracht und anschließend die Trockenheitstoleranz der daraus entstandenen Jungpflanzen analysiert. Außerdem wurde an verschiedenen Baumarten und unter verschiedenen Bedingungen die Entwicklung relevanter hydraulischer und holzanatomischer Parameter während der Etablierung von wenigen Wochen alten Keimlingen bis hin zum Ende der ersten Vegetationsperiode verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Bedingungen während der Samenreife keinen Einfluss auf die Verwundbarkeit des Wassertransportsystems haben. Auch konnte keine gesteigerte Anpassungsfähigkeit bei Pflanzen aus Samen von warm-trockenen Jahren bzw. von trockengestressten Mutterpflanzen festgestellt werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass hydraulische Eigenschaften von Holzpflanzen genetisch wesentlich konservierter sind als z.B. Wachstum oder Phänologie, wo in diversen Studien sehr wohl ein Einfluss der klimatischen Bedingungen während der Samenreife beobachtet werden konnte. Umgekehrt konnte allerdings auch gezeigt werden, dass bereits wenige Wochen alte Keimlinge fähig sind, sich an vorherrschende Umweltbedingungen anzupassen. So unterschieden sich im Glashaus gezogene Sämlinge des Bergahorns bereits mit sechs Wochen deutlich in verschiedenen Wasserhaushaltsparametern von Sämlingen, die sich an ihrem natürlichen Standort unter ihren Mutterpflanzen entwickelten. Erstmals konnte auch gezeigt werden, dass neu aufkommende Pflanzen ihre Blätter besonders gut mit Wasser versorgen, um ein rasches Wachstum zu ermöglichen, auch wenn dadurch die Verwundbarkeit des Wasserleitsystems erhöht wird. Die aus dem Projekt gewonnen Erkenntnisse geben wichtige Einblicke in die Hydraulik von Keimlingen und Jungpflanzen, und verdeutlichen die Besonderheit dieser Baumstadien. Sie zeigen, dass bereits junge Pflanzen ein beachtliches Potential zur hydraulischen Anpassung verfügen, während die vorhergehenden Bedingungen während der Samenbildung oder -reife keine Rolle zu spielen scheinen. Die Ergebnisse verdeutlichen auch, dass die Balance zwischen schnellem Wachstum und optimaler Trockenheitstoleranz im ersten Lebensjahr eines Baumes von besonderer Relevanz ist.