Genexpression weist darauf hin, dass Pflanzen sich an einen höheren CO2-Gehalt anpassen können

Forschungen der britischen Universität Southampton, die kürzlich im Fachblatt „Global Change Biology“ veröffentlicht wurden, zeigen, dass sich die Genexpression von Pflanzen, die einem erhöhten CO2-Gehalt ausgesetzt sind, ändert. Das weist darauf hin, dass Veränderungen der Genregulation ein bedeutsamer Mechanismus sein könnten, der die Anpassung an einen höheren CO2-Gehalt unterstützt.

Kurzfristige Vorteile eines steigenden CO2-Gehalts

Die kurzfristigen Auswirkungen einer Erhöhung des atmosphärischen CO2-Gehalts (die Emissionen stiegen in den 2000er Jahren stärker als in den 1990er Jahren, und die CO2-Konzentration erreichte im Jahr 2013 erstmals 400 ppm) auf Pflanzen können als relativ positiv beschrieben werden, da sich dadurch die Photosyntheseaktivität und das Pflanzenwachstum erhöhen. Dies steigert wiederum den Ertrag und die Lebensmittelproduktion. Tatsächlich ist die Erde in den vergangenen Jahrzehnten grüner geworden, da das Wachstum der Vegetation durch den CO2-Anstieg angeregt wurde.

Die langfristigen Auswirkungen eines steigenden atmosphärischen CO2-Gehalts auf die Pflanzen werden in der Wissenschaft jedoch immer noch diskutiert. „Bislang haben uns nur wenige Berichte Einblicke in die langfristigen Auswirkungen eines CO2-Anstiegs geliefert, der sich über mehrere Generationen vollzieht, und es gibt keine Berichte über eine molekulare Signatur, die eine solche Anpassung bestätigen“, kommentierte die Autorin der Leitstudie, Professor Gail Taylor von der Universität Southampton. „Ein Grund dafür ist, dass dieses Problem schwer zu knacken ist – Pflanzen zu finden, die den Bedingungen der Zukunft ausgesetzt, aber bereits heute verfügbar sind.“

Um dies weiter zu untersuchen, verwendete das Forschungsteam eine einzigartige Ressource – natürlich hohe CO2-Quellen, wo die Pflanzen über hunderte von Jahren und mehrere Pflanzengenerationen hinweg einem höheren CO2-Gehalt ausgesetzt waren. Man nahm Spitzwegerich-Pflanzen eines „Quellen-Standorts“ in Bossoleto, Italien, und verglich deren molekulare Signatur mit den gleichen Pflanzen eines „Kontroll-Standorts“ (mit aktuellem CO2-Gehalt). Es zeigten sich auffällige Unterschiede in der gesamten Genexpression (dem Prozess, mit dem spezifische Gene aktiviert werden, um ein notwendiges Protein zu produzieren).

„Die Studie zeigt: Wenn wir Pflanzen von diesen beiden Orten nehmen, welche die heutige Atmosphäre und jene der Zukunft (bis ins Jahr 2100) repräsentieren und diese Pflanzen gemeinsam in das gleiche Milieu setzen, so sind die Pflanzen, die einem Quellen-Standort entstammen, größer und weisen höhere Photosynthese-Raten auf“, erläuterte Prof.  Taylor. „Vor allem zeigten die Pflanzen von den Quellen-Standorten Unterschiede in der Expression Hunderter von Genen.“

Prof.  Taylor und ihr Team prognostizieren anhand ihrer Genexpressionsdaten, dass die Erde weiterhin grüner werden wird. „Es wird nicht aufhören oder eine Gewöhnung an den steigenden CO2-Gehalt eintreten, obwohl ein Teil des Kohlenstoffüberschusses der künftigen Pflanzen wahrscheinlich für sekundäre Chemikalien zur Pflanzenabwehr eingesetzt werden wird. Dies steht mit verstärkter Genexpression zur Stärkung der Pflanzenatmung in Verbindung.“

Auswirkung auf die pflanzlichen Gewebeporen

Eines der interessantesten Ergebnisse der Forschungsarbeit war, dass die Zahl der pflanzlichen Gewebeporen auf der Blattoberfläche (kleine Löcher zur Kontrolle des Wasserdampfverlusts und der CO2-Aufnahme zur Photosynthese) zunehmen, wenn die Pflanze über mehrere Generationen einem CO2-Gehalt der Zukunft ausgesetzt war. Das Team prognostizierte, dass die Anzahl der Poren zurückgehen würde, was mit früheren Forschungsarbeiten, bei denen fossile Pflanzen über geologische Zeiträume hinweg untersucht wurden, im Einklang stand.

Prof.  Taylor fügte hinzu: „Das ist eine widersinnige Erkenntnis, aber sie weist stark darauf hin, dass die Anzahl der pflanzlichen Gewebeporen steigt, denn wir haben mehrere wichtige Regulatoren für die Porenanzahl identifiziert, die auf den künftigen, hohen CO2-Gehalt leicht reagieren. Einer dieser Regulatoren ist SCREAM (SCRM2), der zur Familie der Helix-loop-helix-Proteine gehört und die Entwicklungsveränderung der Pflanze steuert.“

Sie räumt ein, dass man die volle Auswirkung dieser Entwicklungsveränderung noch nicht vollständig versteht, aber sie zeigt, dass sich Pflanzen über mehrere Generationen hinweg in unvorhersehbarer Weise an den künftigen CO2-Gehalt anpassen werden. Das ist eine wichtige Fragestellung, denn man muss unbedingt wissen, wie sich die Nutzpflanzen infolge des Klimawandels über die zukünftigen Generationen entwickeln werden oder auch, ob das Grünerwerden der Erde weiter zunehmen wird und wie sich das auf den globalen Naturschutz auswirkt.

Die Forschungsarbeiten wurden zum Teil durch das RP7-Projekt EXPEER (Distributed Infrastructure for EXPErimentation in Ecosystem Research) finanziert, das im Mai 2015 seinen Abschluss fand. Daneben wurde die Forschung vom British Council und dem britischen National Environment Resource Council (NERC) finanziell unterstützt.

Weitere Informationen:
EXPEER-Projektwebsite