Wie wird die Welt in Zukunft aussehen? Wissenschaftler versuchen ständig zu modellieren, wie Pflanzen, Ökosysteme und Biodiversität durch verschiedene globale Veränderungen beeinflusst werden könnten, damit politische Entscheidungsträger und Naturschützer proaktiv sein können. Diese „Kristallkugel-Vorhersagen“ basieren normalerweise auf Experimenten, bei denen gemessen wird, wie Pflanzen bei unterschiedlichen Temperaturen, Wasser- und Bodennährstoffgehalten wachsen. Die Dinge werden etwas komplizierter, wenn man versucht zu verstehen, was mit den Bodenmikroben und den Pflanzen passiert und welche Rückkopplungen zwischen diesen beiden auftreten.
Dr. Gaowen Yang und drei Kollegen aus Freie Universität Berlin und Berlin-Brandenburgisches Institut für fortgeschrittene Biodiversitätsforschung (BBIB) untersuchten das Wachstum von vier Gras-, Kräuter- und Leguminosenarten auf Bodenmischungen mit geringer, mittlerer und hoher Bodenbiodiversität, die drei Störungen des globalen Wandels (z. B. Erwärmung, Dürre und Stickstoffablagerung) ausgesetzt waren. Die Forscher fanden heraus, dass Stress ausgeprägter war, wenn die Pflanzen auf Bodenmischungen mit reduzierter mikrobieller Vielfalt angebaut wurden. Dürre und Stickstoff (N)-Ablagerungsstörungen verringerten die Pflanzenvielfalt, aber die Pflanzen konnten sich auf moderater und hoher Bodenbiodiversität erholen. A ehemaliges Studium hat gezeigt, dass der Verlust seltener mikrobieller Arten im Boden, die eine systemische Resistenz induzieren, auch die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Schädlingen verändert. Dr. Yang hat zuvor untersucht, wie Bodenprozesse und Diversität werden durch eine zunehmende Anzahl von Umweltveränderungen beeinflusst (z. B. zwei gegenüber zehn) und diskutiert wie Bodenlebewesen können die Stabilität des Ökosystems beeinträchtigen.
Im aktuelle Studie, Yang und Kollegen sammelten etwa 46 kg Boden aus Brandenburg und bereiteten Bodenmischungen vor, um eine geringe, mittlere und hohe mikrobielle Vielfalt im Boden unter Verwendung des Verdünnungs-bis-Extinktion-Ansatzes darzustellen (z. B. unterschiedliche Anteile von frischer Erde und sterilisierter Erde). Diese Bodenmischungen wurden vor allen Experimenten zwei Monate lang inkubiert, damit sich die Mikroben aufbauen konnten. Yang und Kollegen richteten ein Mikrokosmos-Experiment ein, bei dem jeder Topf zwei Sämlinge von jeweils vier Gras-, Kräuter- und Hülsenfruchtarten enthielt, insgesamt 24. Die Sämlinge wuchsen zweieinhalb Monate auf den drei verschiedenen Bodenmischungen und wurden dreimal geerntet.
Die erste Ernte erfolgte nach 2.5 Monaten nach der Etablierungsphase auf den verschiedenen Bodenmischungen. Die Wissenschaftler maßen die oberirdische Biomasse jeder Art. Anschließend wurden die Töpfe drei Global-Change-Effekten (z. B. Trockenheit, Erwärmung, erhöhte N-Deposition) ausgesetzt und die Pflanzen nach zwei Monaten geerntet. Anschließend ließen die Forscher die Pflanzen zwei Monate lang erholen und ernteten sie zum dritten Mal. Bodenmikrobielle DNA wurde extrahiert, um die Veränderungen der Bakterien- und Pilzgemeinschaften während der Störungs- und Erholungsphasen zu messen.
Alle Belastungen waren ausgeprägter, wenn die Pflanzen auf Bodenmischungen mit reduzierter mikrobieller Vielfalt angebaut wurden. Zum Beispiel verringerte Dürre die Leguminosenbiomasse um 89 % bei einer Mischung mit hoher Bodenbiodiversität, aber die Reduktion betrug 95 % bei geringer Bodenbiodiversität. Erwärmung verringerte die Leguminosenbiomasse um 31 % bei hoher Bodenbiodiversität, aber um 80 % bei geringer Bodenbiodiversität. Bei Kräutern und Gräsern waren die Effekte leicht unterschiedlich.
„Der Rückgang der Leguminosen-Persistenz durch den Verlust der Bodenbiodiversität könnte teilweise darauf zurückgeführt werden
Fehlen von Mutualisten im Boden, zum Beispiel AM [arbuskuläre Mykorrhiza]-Pilze“, schrieben Yang und Kollegen.
„Nach Störungen des globalen Wandels wurde in der vorliegenden Studie eine vollständige Wiederherstellung der Vielfalt der Bodenbakterien beobachtet, was darauf hinweist, dass Bodenbakterien gegenüber Störungen des globalen Wandels sehr widerstandsfähig sind, was frühere Arbeiten unterstützt.“
Die Biomasse der Leguminosen erholte sich nach den Störungen bei hoher und mäßiger Bodenbiodiversität vollständig, jedoch nicht bei niedriger Bodenbiodiversität. Dürre und N-Ablagerungsstörungen verringerten die Pflanzenvielfalt.
„Unsere Studie zeigt, dass der Verlust an Biodiversität zu einer negativen Rückkopplung führen könnte, die die Pflanzenvielfalt durch die Verringerung der Leguminosen weiter verringern kann.“
Diese Studie betonte die Bedeutung der mikrobiellen Vielfalt im Boden für die Vorhersage von Pflanzenreaktionen auf drei Hauptstörungen durch globale Veränderungen.
