Untersuchung zur Dürretoleranz von Althaea officinalis

INHALTSVERZEICHNIS

1. Einleitung

2. Fragestellung und Zielsetzung

3. Material und Methoden
3.1. Die Pflanzen
3.1.1. Auswahl
3.1.2. Beschreibung der Pflanze
3.1.3. Anzucht
3.2 Die Messungen
3.2.1. Chlorophyllfluoreszenz
3.2.2. Die Hard- und Software

4. Durchführung
4.1. Vorversuche
4.1.2. Dunkeladaption
4.1.2. Dürreperioden
4.2. Hauptversuche

5. Ergebnisse

6. Diskussion
6.1. Auswertung der Ergebnisse
6.2. Technische Anmerkungen
6.3. Fazit
6.4. Ausblick

7. Persönliche Erkenntnisse und kritische Rückschau

8. Danksagung

1. Einleitung

Seit 1860 ist die weltweite Durchschnittstemperatur um ca. 1 °C gestiegen. Dies hat weitreichende Folgen. 2005 gab es in Spanien die schlimmste Trockenheit seit 60 Jahren; 80 Millionen Obstbäume verdorrten, 50 % der Weizenernte wurde vernichtet und es kam zu verheerenden Waldbränden.

Untersuchungen der Climate Research Unit der University of East Anglia zeigen eine positive Abweichung der globalen Durchschnittstemperatur von der Durchschnittstemperatur von 1961-1990, und dass die globale Durchschnittstemperatur bis 1980 fast immer unter dem Niveau von 1961-1990 lag und danach rapide angestiegen ist. Bis zum Jahr 2100 könnte die Abweichung der Temperatur von 1961-1990 bis zu +4 °C betragen

Es gab schon häufiger in der Erdgeschichte globale Klimaschwankungen, doch die gemessenen und prognostizierten Zahlen sprengen alles schon Dagewesene. Dies und viele andere Hinweise bringen Wissenschaftler zu dem weitgehenden Konsens, dass der Klimawandel vom Menschen verursacht, also anthropogen ist. Man vermutet, dass der Mensch durch unnatürlich hohe Kohlenstoffdioxidemissionen den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt, der eine Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur induziert.

Eine Folge des Klimawandels könnten Hitzesommer sein, die nicht nur in Süd-, sondern auch in Mitteleuropa auftreten. Ein Szenario des MPI für Metereologie zeigt eine mutmaßliche Veränderung des Niederschlags im Sommer und Winter für die Periode von 2071-2100. Im Sommer werden demnach Dürreperioden auftreten.¹ Die- se könnten Auswirkungen auf Teile der einheimischen Flora haben, welche an anormal lange Dürreperioden nicht angepasst ist. Herauszufinden, wie erheblich diese Auswirkungen auf ausgewählte einheimische Pflanzen sind, war Ziel meines Projektes.

2. Fragestellung und Zielsetzung

In der Agrarindustrie wird viel geforscht, wie Nutzpflanzen, z. B. Mais, Raps und Weizen, auf Dürre reagieren, beispielsweise um deren Belastbarkeit durch genetische Modifikationen zu verbessern.² In meinem Projekt wollte ich herausfinden, wie gefährdete einheimische Pflanzen auf unterschiedlich lange Dürreperioden, die auf Grund des Klimawandels in Mitteleuropa verstärkt auftreten können, reagieren. Dazu wollte ich die Dürretoleranz mehrerer Beispielspflanzen mit unterschiedlichen Bodenfeuchtigkeitszeigerwerten untersuchen (s. 3.1.1. Auswahl der Pflanzen).

Die Arbeitshypothesen, die ich untersuchen wollte, waren folgende:

1. Hypothese: Die Versuchspflanzen reagieren auf Dürreperioden unterschiedlicher Länge unterschiedlich stark.
2. Hypothese: Die Versuchspflanze mit höherem Bodenfeuchtigkeitszeigerwert reagiert auf Dürre stärker als die mit geringerem Zeigerwert.
3. Hypothese: In ein und derselben Versuchsreihe überleben einige Individuen derselben Pflanzenart nicht, ande- re schon.
4. Hypothese: Bei längeren Dürreperioden sterben die älteren Blätter ab, nach dem Ende der Trockenbehandlung kommen jedoch jüngere wieder nach.

3. Material und Methoden

3.1. DIE PFLANZEN

3.1.1. AUSWAHL

Die Pflanzen, die ich untersuchen wollte, wählte ich nach folgenden Kriterien aus:

1. Sie sollten gefährdet sein (Gefährdungsstufe 3 nach dem Bundesartenschutzgesetz).
2. Sie sollten dennoch nicht allzu selten sein (beispielsweise endemisch auf Sylt), da sie ein üblicher Bestandteil
unserer Flora und keine Rarität sein sollten.
3. Die Pflanzen mussten eine große Blattoberfläche haben, damit repräsentative Aufnahmen mit der Chlorophyllfluoreszenzkamera (siehe 3.2. Die Messungen) möglich sind.
4. Darüber hinaus sollte die Pflanze keinen Wechsel der Feuchte vertragen (Zeigerwert für Feuchtewechsel), da es beim Klimawandel Nässe- und Trockenperioden geben wird.
5. Damit ein Vergleich zwischen Pflanzen mit unterschiedlichen Bodenfeuchtigkeitszeigerwerten möglich wird, sollte eine Pflanzen ein Frischezeiger (Zeigerwert 5) und eine ein Feuchtezeiger (Zeigerwert 7) sein.

Die genannten Zeigerwerte basieren auf dem Klassifikationsverfahren nach Ellenberg. Recherchen in der Daten- bank des Bundesamtes für Naturschutz auf www.floraweb.de ergaben, dass fünf Pflanzen den Bedingungen ent- sprachen. Saatgut waren nur vom Echten Eibisch (Althaea officinalis) und vom Guten Heinrich (Chenopodium bonus- henricus) erhältlich.

3.1.2. BESCHREIBUNG DER PFLANZE

Der Echte Eibisch (Althaea officinalis) gehört zu der Familie der Malvengewächse (Malvaceae) und der Ordnung der Malvenartigen (Malvales)³. Sie kommt in ganz Europa sowie Südrussland und Kasachstan vor. In Deutschland ist sie weniger häufig und der Bestand geht zurück⁴.

Althaea officinalis ist eine aufrechte, krautartige Pflanze, die bis zu 150 cm groß wird.⁵ Sie ist eine Halbschatten- bis Halblichtpflanze und kommt in Unkraut- und Staudenfluren vor. Sie lebt im gemäßigtem Steppenklima und ist ein Feuchtezeiger.⁶

3.1.3. ANZUCHT

Die Althaea -Pflanzen wurden ab Anfang Oktober im Gewächshaus der Abteilung für Pflanzenphysiologie der Universität Osnabrück in einer ca. 15 x 15 cm großen Schale in Einheitserde angezogen. Nach 20 Tagen wurden die Keimlinge vereinzelt. Genau 28 Pflanzen wurden in runden Plastiktöpfen mit einem Volumen von ca. 130 ml vereinzelt. 48 Tage nach der Aussaat waren die Pflanzen soweit gediehen, dass die Experimente starten konnten. Um zu gewährleisten, dass die Pflanzen kein Wasser von den anderen Versuchsreihen aufnahmen, wurden die vier Pflanzen einer Versuchsreihe in eine seperate Schale gestellt.

Mit den Keimlingen vom Guten Heinrich wollte ich ähnlich umgehen, dies war jedoch nicht möglich, da der Gute Heinrich nicht keimte. Auch eine zweite Aussaat schlug fehl. Dadurch konnte ich die Untersuchungen nur mit Althaea officinalis durchführen.

Die Pflanzen lebten stets unter folgenden Bedingungen:

- Sollwert Temperatur am Tag: 22 °C
- Sollwert Temperatur in der Nacht: 16 °C
- Bewässerung: Täglich um ca. 11 Uhr
- Beleuchtung: Da die Pflanzen in einem Gewächshaus standen, kam Tageslicht hinein. Allerdings gab es zusätzlich Lampen, die wie folgt geschaltet waren:
- Beginn Tag: 7:00 h
- Ende Tag: 20:00 h

Abbildungsreihe zur Anzucht von Althaea officinalis

Abb. 6: Aussaat von Althaea officinalis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: 18 Tage nach der Aussaat Abb. 8: 48 Tage nach der Aussaat

3.2. DIE MESSUNGEN

3.2.1. CHLOROPHYLLFLUORESZENZ

Da es mir möglich war, in der Abteilung für Pflanzenphysiologie der Universität Osnabrück zu arbeiten, konnte ich die Messungen mit einer Chlorophyllfluoreszenzkamera durchführen, die den Parameter Fv/Fm misst und so Auskunft über den Stresszustand einer Pflanze gibt. Die Messung der Chlorophyllfluoreszenz zeichnet sich dadurch aus, dass sie nicht destruktiv ist, wie etwa die Trockengewichtsbestimmung, und dass sie relativ leicht durchzuführen ist, anders als etwa die Bestimmung des Prolingehalts.

Die Chlorophyllfluoreszenz ist ein Indikator für die Fotosyntheseaktivität. Voraussetzung für die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie bei der Photosynthese ist die Weitergabe von Elektronen in der Thylako- idmembran der Chloro-plasten, was Elektronentransportkette (ETC) genannt wird. In dieser Lichtreaktion ge- nannten Teilreaktion werden die Stoffe ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH (Nicotinamidadenindinukleo- tidphosphat) gebildet und in der Dunkelreaktion zur Bildung von Glucose verwendet. Beim Transport dieser Elektronen entsteht eine Verlustleistung, die in Form von Wärme und Fluoreszenz, der so genannten Grundfluo- reszenz, abgegeben wird.

Die Grundfluoreszenz (F0) ist besonders hoch, wenn die Pflanze gestresst ist. Bei Dürrestress wird nämlich die stomatäre Transpiration durch Regulierung der Spaltöffnungen eingeschränkt, um Wasser zu sparen. Da nun auch weniger Kohlenstoffdioxid aufgenommen wird und so keine Fotosynthese betrieben werden kann, bricht die Transportkette zusammen. Unter anderem dadurch steigt die Grundfluoreszenz an.

Man kann jedoch nicht die F0-Werte verschiedener Pflanzen vergleichen, da die Grundfluoreszenz auch von der Chlorophyllmenge abhängt. Eine größere Pflanze könnte zwar eine höhere Grundfluoreszenz als eine kleine haben, wäre aber eventuell weniger gestresst. Die maximale Fluoreszenz (Fm), die durch einen Lichtblitz generiert wird, wird als Maß der Chlorophyllmenge verwendet. Dann wird die Differenz von Fm und F0, die variable Fluoreszenz (Fv), durch die Maximalfluoreszenz (Fm) dividiert. Diesen Parameter nennt man die maximale Quantenausbeute der Fotosystems II (Fv/Fm). Sie kann als Maß für den Dürrestress einer

Pflanze verwendet werden (Woo et al., 2008).⁷ Fv/Fm ist einheitenlos. Eine Pflanze ist vital und gesund, wenn der Fv/Fm-Wert mindestens 0,7 beträgt; ist sie gestresst, sinken die Werte.

3.2.2. DIE HARD- UND SOFTWARE

Die Aufnahmen konnte ich mit einer Chlorophyllfluoreszenzkamera des Typs FC 800-C der Firma PSI (Photon Systems Intruments) machen. Die Kamera ist mit ei- nem Charge-coupled Device (CCD) ausgestattet, der eine hochauflösende Aufnahme in einem bestimmten Wellenlängenbereich möglich macht. Die Bilder werden in einer Auflösung von 1329 x 1040 Pixel erstellt. Es gibt vier Messlichter, zwei davon im Wel- lenlängenbereich 400-500 nm (blau markiert), zwei im Bereich 625-700 nm (rot dar- Abb. 9: Darstelung der gestellt) und einen zusätzlichen Filter, der die Aufnahme im Bereich 475-600 nm er- Fluoreszenzparameter laubt.

[...]

¹ Schönwiese, C.-D.: Der globale Klimawandel und seinen Auswirkungen auf Deutschland. Praxis der Naturwissenschaften, 3.2010, 6-15

² http://www.welt.de/welt_print/article1221714/Gene_gegen_Duerre.html, 09.01.2009, Bericht der WELT über Forschungen an Genmanipulationen der Dürretoleranz

³ www.itis.gov/servlet/SingleRpt/SingleRpt?search_topic=TSN&search_value=21610, Steckbrief von Althaea officinalis auf ITIS

⁴ www.floraweb.de/pflanzenarten/verbreitung.xsql?suchnr=340&, Angaben zur Verbreitung von Althaea officinalis

⁵ http://www.floraweb.de/pflanzenarten/biologie.xsql?suchnr=340&, Biologische Merkmale von Althaea officinalis

⁶ www.floraweb.de/pflanzenarten/oekologie.xsql?suchnr=340, Lebensraum & Ökologie von Althaea officinalis

⁷ www.plantmethods.com/content/4/1/27, 11.01.2009, A rapid, non-invasive procedure for quantitative assessment of drought using chlorophyll fluorescence

⁸ http://www.germanwatch.org/kliko/k25golf.htm, 08.01.2010, Artikel über das mögliche Stoppen des Golfstroms

⁹ Steubing, L. und Fangmeier, A.: Pflanzenökologisches Praktikum, Ulmer Verlag, Stuttgart 1992