Mit dem Anstieg der globalen Temperaturen werden Hitzewellen häufiger und intensiver und stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Natur dar. Während viel Aufmerksamkeit darauf gerichtet wurde, wie sich diese extremen Temperaturen auf das Leben von Mensch und Tier auswirken, wurde den Auswirkungen auf Pflanzen weniger Beachtung geschenkt. Eine neue Studie, die kürzlich in AoB PLANTS festgestellt, dass Steigende Temperaturen stellen eine ernste Gefahr für Blütenpflanzen dar.
Die Fortpflanzung bei Blütenpflanzen ist ein heikler Prozess, der die genaue Zeiteinteilung und Funktion der Blütenorgane und Gameten (Spermien und Eizellen) erfordert. Bei steigenden Temperaturen beginnt dieses fein abgestimmte System zusammenzubrechen. Die anfälligsten Stadien sind die Pollenentwicklung, die Pollenkeimung und das Wachstum des Pollenschlauchs, der die Spermien zur Eizelle transportiert.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Hitze diese empfindlichen Stadien schädigen kann. Doch welchen genauen Einfluss hat sie auf den Gesamterfolg der Pflanzenreproduktion? Und hat sie unterschiedliche Auswirkungen auf Fremdbestäubung und Selbstbestäubung? Diese Fragen sind entscheidend, um die Gesamtauswirkung von Hitze auf Pflanzenpopulationen, sowohl wilde als auch kultivierte, zu verstehen.
Um diese Probleme zu untersuchen, untersuchte das Forscherteam der University of California zunächst, wie sich extreme Hitze auf das Wachstum von Pollenschläuchen und die Samenbildung auswirkt, zwei wesentliche Komponenten der erfolgreichen Pflanzenreproduktion. Sie setzten sich entwickelnde Blüten entweder normalen Temperaturen von 25 °C tagsüber und 20 °C nachts aus oder einer simulierten Hitzewelle mit 35 °C tagsüber und 20 °C nachts.
Nach der Temperaturbehandlung bestäubten die Forscher die Blüten von Hand mit entweder Fremdpollen oder Selbstpollen von Pflanzen, die denselben Temperaturbedingungen ausgesetzt waren. Mit diesem Ansatz konnten sie nicht nur die direkten Auswirkungen der Hitze auf das Wachstum der Pollenschläuche bestimmen, sondern auch alle Wechselwirkungen, die durch die Kombination von Hitze und der Art des verwendeten Pollens entstehen könnten.
Bei den niedrigeren Kontrolltemperaturen war die Überlebensrate von Pollenschläuchen aus Eigenpollen um etwa 27 % niedriger als die von Pollen aus Fremdbestäubung. Der wahre Schock kam jedoch bei den hitzebehandelten Blüten. Die Überlebensrate von Pollenschläuchen sank im Vergleich zu den Kontrollgruppen bei fremdbestäubten Blüten um 71 % und bei selbstbestäubten um 77 %. Interessanterweise gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen dem Überleben der Pollenschläuche bei hitzebehandelten, fremdbestäubten und selbstbestäubten Blüten, was darauf hindeutet, dass extreme Hitze die Lebensfähigkeit und Funktion beider Pollenarten in ähnlicher Weise beeinträchtigen kann.
Die Studie beschränkte sich nicht auf das Überleben der Pollenschläuche. Die Forscher untersuchten auch den Samenansatz – die Anzahl der nach der Bestäubung produzierten Samen – als Maß für den Fortpflanzungserfolg. Hier war der Einfluss der Hitze noch ausgeprägter. Extreme Hitze reduzierte den Samenansatz um 87 %, unabhängig davon, ob der Pollen aus Fremdbestäubung oder Selbstbestäubung stammte. Diese Verringerung deutet darauf hin, dass Hitzewellen bei Blütenpflanzen weitverbreitete Fortpflanzungsstörungen verursachen könnten, was möglicherweise schwerwiegende Auswirkungen auf Pflanzenpopulationen und ganze Ökosysteme haben könnte.
Extreme Hitze reduzierte nicht nur die Samenbildung, sondern beeinträchtigte auch die Pollenproduktion während der Blütenentwicklung. Die Staubbeutel von hitzebehandelten Blüten produzierten etwa 20 % weniger Pollen als die von Blüten, die bei kontrollierten Temperaturen gehalten wurden. Diese Verringerung der Pollenmenge, kombiniert mit der verminderten Lebensfähigkeit des produzierten Pollens, deutet darauf hin, dass Pflanzen, die sich unter Hitzewellenbedingungen entwickeln, einer doppelten Bedrohung ausgesetzt sind: weniger Pollenkörner und weniger kräftiger Pollen.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass Hitze das Risiko einer Pollenbegrenzung durch ihre Auswirkungen auf den Pollen in mehreren Stadien des Bestäubungsprozesses (Pollenproduktion, Überleben der Pollenschläuche und Samenbildung) stark erhöhen kann. Wie von uns vorhergesagt, verringerte Hitze die Pollenvitalität und das Wachstum der Pollenschläuche und verringerte die Anzahl der Pollenschläuche, die die Basis des Griffels erreichten.
Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse sind beträchtlich. Bei wilden Pflanzenarten könnten Hitzewellen die Paarung und Fortpflanzung stark einschränken, die genetische Vielfalt verringern und die Anpassungsfähigkeit der Populationen an veränderte Umweltbedingungen einschränken. In landwirtschaftlichen Systemen könnten die Folgen ebenso schwerwiegend sein. Viele Nutzpflanzen sind auf eine erfolgreiche Bestäubung angewiesen, um die Früchte und Samen zu produzieren, die wir essen. Wenn Pollen knapp oder weniger wirksam wird, könnte dies zu geringeren Ernteerträgen führen und die Ernährungssicherheit gefährden.
Mit fortschreitendem Klimawandel werden Hitzewellen wahrscheinlich häufiger und intensiver. Diese Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die Auswirkungen extremer Hitze auf die Pflanzenreproduktion zu verstehen und anzugehen. Wenn wir nichts unternehmen, könnten die natürlichen und landwirtschaftlichen Landschaften, auf die wir angewiesen sind, durch die unsichtbaren, aber erheblichen Auswirkungen der Hitze auf die Reproduktion von Blütenpflanzen dramatisch verändert werden.
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Rosenberger NM, Hemberger JA und Williams NM (2024) „Hitzewellen verschärfen die Pollenlimitierung durch Verringerung der Pollenproduktion und der Pollenvitalität“ AoB PLANTS. https://doi.org/10.1093/aobpla/plae045
