Pflanzen unter Stress: So heiß ist zu heiß

Braun-bröselige Blattränder, verdorrte Zweige, Verfärbungen: All das sind sichtbare Zeichen an Bäumen, Büschen und Pflanzen, die verdeutlichen, dass Hitze und Trockenheit auch für die hiesige Flora zum Problem werden. Dabei haben Pflanzen im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, um mit äußeren Stressfaktoren, sogenanntem abiotischen Stress, umzugehen.

Ab gewissen Extremtemperaturen greifen bewährte Kompensationsstrategien allerdings nicht mehr und es kommt unweigerlich zur Schädigung. Wann das der Fall ist, welche Pflanzen besonders betroffen sind und wie sich die zunehmende Erwärmung auf Landwirtschaft und Ernährungssicherheit auswirkt, erklärt Gilbert Neuner, Leiter der Forschungsgruppe Stressphysiologie am Institut für Botanik der Universität Innsbruck, im Interview.

Was sind abiotische Stressfaktoren für Pflanzen?

Alles, was auf Pflanzen einwirken kann, wobei es immer auf die Dosis ankommt: Kälte, Frost, Hitze, Strahlung, Trockenheit, Staunässe und natürlich die mineralische Nährstoffversorgung im Boden. Alles, was im Übermaß oder wiederum zu wenig vorkommt, ist letztendlich ein massiver Stressfaktor.

Mit Strahlung ist die Sonneneinstrahlung gemeint?

Genau. Normalerweise sind Pflanzen an die Dosis, die am Standort eintrifft, gut angepasst. Aber es gibt beispielsweise Pflanzen, die im Wald im Unterwuchs wachsen. Manchmal entstehen dort sogenannte Lichtflecke, dann scheint die Sonne durch das Kronendach bis auf den Waldboden durch und die Pflanzen werden kurzfristig vom vollen Sonnenlicht getroffen. Für eine Unterwuchspflanze ist das ein extremer Stress.

Einige Pflanzen haben dafür ganz spezielle Einrichtungen, so wie beispielsweise der Sauerklee. Der klappt dann innerhalb von ein paar Sekunden die Blätter nach unten, um sich vor dieser Überdosis an Strahlung zu schützen.

Welche anderen Schutzmechanismen haben Pflanzen, um auf abiotischen Stress zu reagieren?

Viele Menschen nehmen Pflanzen als sehr starre Organismen wahr, die sich nicht bewegen, in der Landschaft festgewurzelt sind und nichts tun. Das stimmt aber nicht wirklich. Wir kennen viele Beispiele, wo Pflanzen ihre Ausrichtung zur Sonne im Laufe des Tages verändern. Manche wandern regelrecht mit, man kennt es beispielsweise von Bohnen oder Sonnenblumen, wo Blattbewegungen eine wichtige Rolle spielen, um durch den Einfallswinkel die Dosis zu regulieren.

Es gibt aber natürlich auch die physiologische Ebene: Ein Blatt ist ein Kraftwerk, in dem die Photosynthese abläuft. Die Energiezufuhr ist im Prinzip das Sonnenlicht. Jetzt gibt es in Dürrephasen die Situation, dass das Sonnenlicht zwar da ist, aber die Energie dann nicht abgeleitet werden kann. Das betrifft den zweiten Teil der Photosynthese, die Energieumsetzung, bei der Zucker produziert wird: Dafür braucht es Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Wenn es aber zu trocken ist, dann müssen Pflanzen die Spaltöffnungen in ihren Blättern schließen, um nicht zu viel Wasser zu verlieren. Dadurch kommt kein CO2 mehr rein.

Dann sieht man zwar ein grünes Blatt, das im vollen Sonnenlicht steht, aber so überenergetisiert ist, dass es einen Schutzmechanismus braucht. Andernfalls kommt es zu einer Schädigung im Blatt.

Welche von den genannten Stressfaktoren - Hitze, Trockenheit, Kälte, Überwässerung - überwiegen im Moment?

Der Klimawandel bringt auf alle Fälle eine deutliche Erwärmung, der August war beispielsweise 4,9 Grad wärmer als in den gesamten Messreihen bisher. Es wird heißer und wir kommen mit diesen Temperaturen in einen Bereich hinein, wo an den Pflanzen wirklich Schäden auftreten können. Mit dieser Wärme wird es natürlich auch trockener, denn Trockenperioden und Hitze kann man nicht wirklich trennen.

Wir haben schon über die Photosynthese gesprochen, diese ist ein stark wasserverbrauchender Prozess. Pflanzen müssen ihre Spaltöffnungen aufmachen, um ans CO2 zu kommen, aber dabei verlieren sie Wasser. Bei einer normalen Pflanze geht bei der Produktion von einem Gramm Kohlenstoff, der zu Zucker wird, ein halber bis zwei Liter Wasser in die Atmosphäre. Da kann man dann verstehen, dass die Wuchsleistung stark zurückgeht, wenn es trockener wird.

Gleichzeitig nehmen die Wetterkapriolen zu. Wir sehen immer wieder Spätfrostschäden, weil die Pflanzen bei milderen Bedingungen überwintern, dadurch weniger abgehärtet sind und dann für einen Spätfrost nicht ausreichend geschützt sind.

Welche heimischen Pflanzen sind bei Hitze oder Trockenheit besonders gefährdet?

Dafür gibt es relativ wenig Befunde. Worüber ich mehr Bescheid weiß, ist die alpine Zone über der Waldgrenze. Dort können Pflanzen durchaus Hitzeschäden haben. Warum? Weil es dort oben sehr kalt ist, wachsen sie sehr klein, sind niederwüchsig und profitieren eigentlich davon, weil sie dann wärmer bleiben können.

Wenn es aber im Gebirge mehrere Tage heiß ist, wird es sehr trocken und dann beobachtet man schon Hitzeschäden. Ein klassisches Beispiel sind die sogenannten Kompasspflanzen. Das sind Polsterpflanzen, die südseitig braune Stellen kriegen und damit tatsächlich einen Hitzeschaden anzeigen. Kompasspflanzen heißen sie deshalb, weil man an den Verbrennungen feststellen kann, wo Süden ist.

Blicken wir genauer auf das Projekt „Transpiration bei Hitze“. Was waren die wichtigsten Erkenntnisse?

Am überraschendsten war der Dosis-Effekt. Es gibt keine Fiebergrenze wie beim Menschen, der stirbt, wenn diese überschritten wird. Stattdessen ist die Dauer entscheidend. Standardmäßig wurde in der Literatur immer eine halbe Stunde untersucht, da hält eine Pflanze beispielsweise 45 Grad aus. Aber wenn wir die Dosis erhöhen und vier Stunden einwirken lassen, zeigt sich die gleiche Schädigung schon bei 40 Grad. 50 Grad können hingegen schon nach ein paar Minuten schädigend sein. Das heißt, die Dosis ist ein ganz entscheidender Punkt.

Wenn man sich in Prognosen anschauen möchte, wie Pflanzen auf diese steigende Wärme reagieren, muss man die Dosis somit auf jeden Fall berücksichtigen. Man kann nicht mit einer fixen Schädigungstemperatur rechnen - das ist eine ganz wesentliche Erkenntnis.

Wir haben auch Tropenpflanzen untersucht. Das Spannende dabei war, dass auch diese die gleiche Dosis-Abhängigkeit haben wie unsere Arten. Es gibt also offensichtlich eine physiologische Grenze, die global greift und wo es kein evolutives Modell gibt, um Hitze länger oder besser auszuhalten.

Kann man davon ausgehend Prognosen für die Zukunft ableiten, wie sich die Pflanzenwelt entwickeln wird?

Es wird auf alle Fälle zu Veränderungen im Artengefüge kommen. Es gibt natürlich Pflanzen, die Hitze besser aushalten, und andere, die sie gar nicht gut aushalten. Ich glaube nicht, dass wir keine Pflanzen mehr haben werden, aber wir werden Biodiversitätseffekte sehen.

„Ich glaube nicht, dass wir keine Pflanzen mehr haben werden, aber wir werden Biodiversitätseffekte sehen.“

Gilbert Neuner, Leiter der Forschungsgruppe Stressphysiologie an der Universität Innsbruck

Was wir beispielsweise jetzt schon sehen, ist, dass sich die Waldgrenze weiter nach oben bewegt und sich auch die anderen Vegetationszonen in Antwort auf die Erwärmung verschieben.

Wirkt sich das auch auf die Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit aus?

In bestimmten Gebieten der Erde kann das sicher ein Problem werden. Bei uns nicht, jedenfalls nicht, so lange wir Wasser haben. Wir kennen Beispiele im Alpenraum, beispielsweise im Vinschgau, wo bewässert wird. Das wird bei uns auch da und dort notwendig werden.

Die Befunde sind eindeutig: Wenn es weniger regnet, verdorren die Wiesen und man kriegt keine Heu-Ernte mehr. Im Inntal war jetzt zu beobachten, dass es sogar den Maispflanzen zu trocken war und sie angefangen haben, die Blätter einzurollen. So etwas habe ich selbst mein ganzes Leben noch nie gesehen.

Weniger betroffen ist Wintergetreide, also Pflanzen, die während der Sommerzeit nicht mehr oder weniger aktiv wachsen. Und es gibt sicher auf Profiteure: Wenn ich an meinen eigenen Garten denke, habe ich noch nie eine so tolle Tomatenernte gehabt. Das sind wärmeliebende Arten, wie zum Beispiel auch Zucchini oder Bohnen. Auch beim Obst wäre einiges Neues möglich, beispielsweise dass man Feigen oder manche Südfrüchte im eigenen Garten anpflanzen kann. Es gibt aber auch hier Grenzen, da unsere Winter manchen Südfrüchten dann doch zu kalt sind.