Zirkadiane Uhren helfen Organismen, tägliche Umweltveränderungen wie Licht und Temperatur vorherzusehen und darauf zu reagieren. Bei Pflanzen steuern diese Uhren lebenswichtige Prozesse wie Photosynthese, Blüte und Stressreaktionen. Wenn die Temperaturen steigen, kann eine gut funktionierende Uhr Pflanzen helfen, ihre Physiologie anzupassen, um Überhitzung zu vermeiden, Wasser zu sparen oder die Nährstoffnutzung zu optimieren. Kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse in New Phytologist an zwei Baumarten aus patagonischen Wäldern lieferten Erkenntnisse über Wie diese Uhren das Überleben von Bäumen beeinflussen könnten und Wachstum in einem wärmeren Klima.
Bäume nutzen ihre circadianen Uhren, die durch Signale, die Informationen über die äußere Zeit wie den natürlichen Zyklus von Tag und Nacht weitergeben, präzise reguliert werden, um tägliche und saisonale Veränderungen zu erkennen und ihre Lebensfunktionen anzupassen. Diese tägliche Synchronisation durch zyklische Signale dient als zuverlässiges Signal, um die Uhr im Takt zu halten. Selbst wenn sie unterschiedlichen Temperaturen in einem weiten Temperaturbereich ausgesetzt sind, bleibt das circadiane System synchronisiert und funktionsfähig. Wenn sie jedoch Temperaturen außerhalb dieses Temperaturbereichs ausgesetzt sind, versagt die Uhr und Bäume können ihre Wachstumsvorteile in der natürlichen Umgebung verlieren, was ihre Produktivität verringern kann.
Die Studie konzentrierte sich auf zwei eng verwandte Arten von Nothofagus, einer Baumgattung, die in den patagonischen Wäldern Südamerikas vorkommt. Diese Arten boten eine einzigartige Gelegenheit, die Anpassung an wechselnde Temperaturen zu erforschen, da diese Arten in kühleren, hochgelegenen Umgebungen leben (Nothofagus pumilio), während die andere wärmere, tiefer gelegene Regionen bewohnt (Nothofagus obliqua).
Die von Maximiliano Estravis-Barcala und Verónica Arana geleitete Forschung kombinierte Bioinformatik, Molekularbiologie und Ökophysiologie und untersuchte, wie sich steigende Temperaturen auf die circadianen Uhren dieser Arten auswirken. Im Labor analysierten sie Veränderungen der Genexpression (wie Gene an- und ausgeschaltet werden) als Reaktion auf höhere Temperaturen. Sie nutzten den Berg als natürliches Labor und führten „Höhenwechsel“-Experimente durch, bei denen sie Setzlinge jeder Art sowohl in ihrer natürlichen als auch in ihrer nicht-natürlichen Umgebung pflanzten. Mit diesem Ansatz konnten sie untersuchen, wie gut die circadianen Uhren und die Gesamtleistung der Bäume unter wärmeren oder kühleren Bedingungen funktionierten.
Die Ergebnisse zeigten interessante Unterschiede zwischen den beiden Arten. Nothofagus pumilio, der an Kälte angepasste, hatte Probleme, wenn er höheren Temperaturen ausgesetzt wurde. Während die Uhr bei 20°C normal funktionierte, verursachten warme Temperaturen von 34°C einen Zusammenbruch der rhythmischen Expression wichtiger Gene. Diese Störung erstreckte sich auf die Regulierung zeitkritischer Prozesse, wobei viele Gene ihr Tag-Nacht-Muster verloren und auf Stressreaktionen umstellten. Höhenwechselexperimente zeigten, dass N. pumili, hatte große Schwierigkeiten, seine circadianen Rhythmen in wärmeren Umgebungen niedriger Höhe zu synchronisieren, was zu gestörten Genexpressionsmustern und verringertem Wachstum und Überleben führte.
Im Gegensatz, N. obliquaDie in wärmeren Lebensräumen heimische Art behielt ihre robuste innere Uhr bei und gedieh gut in verschiedenen Höhenlagen. Ihre zirkadiane Uhr blieb selbst unter wärmeren Bedingungen stabil, wodurch sie ihr Wachstum und ihre Überlebensrate aufrechterhalten konnte. Dies deutet insgesamt darauf hin, dass artspezifische Unterschiede im Einfluss der Temperatur auf die Funktion der zirkadianen Uhr mit der thermischen Plastizität von Sämlingen in natürlichen Umgebungen zusammenhängen.
Unsere Erkenntnisse, dass Sämlinge von N. pumili (eine Art aus großer Höhe, die kältere Umgebungen bewohnt) hatte in wärmeren (niedrigeren) Zonen des Waldes eine eingeschränkte Oszillatorfunktion, und die verringerte Überlebensrate und das verringerte Wachstum sind neue Beweise dafür, dass die Störung der Oszillatorfunktion mit einer schlechten Toleranz gegenüber höheren Temperaturen in der natürlichen Umgebung zusammenhängt. Im Gegensatz dazu haben Sämlinge von N. obliqua (Arten aus niedriger Höhe, die wärmere Gebiete bewohnen) konnten ihre Rhythmen bei höheren Temperaturen aufrechterhalten als N. pumili, und sie zeigten in beiden Umgebungen des Temperatur-/Höhenverschiebungsexperiments ein ähnliches Überleben und eine ähnliche Sterblichkeit, was im Einklang mit der Tatsache steht, dass N. obliqua Sämlinge zeigten in beiden Umgebungen synchronisierte Oszillatoren.
Diese Ergebnisse unterstreichen die erheblichen Auswirkungen des Klimawandels auf Waldökosysteme und betonen die Verletzlichkeit von an Kälte angepassten Arten wie N. pumili. Wenn sich der Planet erwärmt, können Störungen der zirkadianen Synchronisation das physiologische und ökologische Gleichgewicht dieser Arten stören und so Wachstum und Überleben einschränken. Das Verständnis, wie sich steigende Temperaturen auf innere Rhythmen auswirken, ist entscheidend, um die umfassenderen Folgen für Pflanzen und die von ihnen erhaltenen Ökosysteme vorherzusagen und abzumildern. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit adaptiver Strategien zum Schutz dieser empfindlichen Lebensräume.
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Estravis-Barcala M., Gaishuk S., González-Polo M., Martinez Meier A., Gutiérrez RA, Yanovsky MJ, Bellora N. und Arana MV (2024) „Einfluss der Temperatur auf die Funktion der circadianen Uhr von Bäumen im Kontext der globalen Erwärmung“ New PhytologistVerfügbar unter: https://doi.org/10.1111/nph.20342
Nothofagus pumilio in der chilenischen Patagonien, in der Nähe von Punta Arenas. Foto: canva.
