Nach der Besiedlung des Trockenlandes vor etwa 470 Millionen Jahren, Pflanzen haben sich auf der ganzen Welt verbreitet und sind mittlerweile auf allen Kontinenten zu finden: von der Antarktisches Perlkraut auf der Antarktischen Halbinsel bis hin zu den Rhododendren der Himalaya-Ökosysteme. Trotz dieses unbestrittenen Erfolgs kann man sich vorstellen, dass es nicht an allen Orten einfach zu leben ist und es beispielsweise einige Umgebungen gibt, in denen die Bedingungen so widrig sind, dass Wissenschaftler beschlossen haben, sie „“ zu nennen.extreme Umgebungen".
Ein gutes Beispiel für diese Art von Umgebungen sind InselbergeDabei handelt es sich um riesige Granitfelsen, die an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt hervorragen. An diesen Stellen siedeln sich Pflanzen fast direkt im Fels oder in sehr flachgründigen Böden an. Beim Wachstum in einem solchen Substrat sind Pflanzen äußerst stressigen Bedingungen ausgesetzt, wie z. B. enormen Temperaturschwankungen im Laufe des Tages (von 18 °C in der Nacht bis 60 °C mittags) und einer geringen Wasserverfügbarkeit. Da es sich außerdem um sehr alte Gesteine handelt – etwa 540 Millionen Jahre alt –, sind fast die Nährstoffe, die sie bieten könnten, bereits verschwunden. Dadurch vereinen Inselberge alle notwendigen Elemente, um das Pflanzenleben äußerst anspruchsvoll zu machen. Doch allen Widrigkeiten zum Trotz beherbergen diese hoch aufragenden Monolithen einen großen Artenreichtum, darunter einige, die nur an diesen Orten zu finden sind. Die Frage ist: Wie schaffen sie es, in einer so stressigen Umgebung zu leben?
Ökologen gehen davon aus, dass Arten in Ökosystemen mit so starken Umwelteinschränkungen tendenziell die gleichen Eigenschaften aufweisen. Im Fall von Inselbergen verfügen die Arten zwangsläufig über Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, den Stress zu tolerieren, der sowohl durch hohe Temperaturen als auch durch die geringe Verfügbarkeit von Nährstoffen und Wasser im Boden entsteht. sonst könnten sie dort nicht leben! Ist es jedoch möglich, dass sich in dieser Umgebung mit so vielen verschiedenen Arten wirklich jede einzelne von ihnen genau gleich verhält? Mit solchen Fragen befassten sich kolumbianische Forscher Lina Aragón in ihrer Masterarbeit, die kürzlich im veröffentlicht wurde Annals of Botany.
Die Aragón-Studie führt uns dorthin Naturschutzgebiet Bojonawi, ein privates Schutzgebiet an der Nordwestgrenze Kolumbiens, in dem man einige Aufschlüsse dieser Art finden kann Guayana-Schild –eine der ältesten geologischen Formationen der Erde. Sie lernte diesen Ort zum ersten Mal im letzten Jahr ihres Grundstudiums an der Universidad de los Andes kennen. Ihr Mentor und Vorgesetzter, Dr. Eloisa LassoSie war auf der Suche nach einer Studentin, die als Feldassistentin für eines ihrer Projekte zur Verfügung stand, und plötzlich war nur Aragón verfügbar! Zwei Tage später begaben sie sich auf eine Reise, deren Szenario, mit Aragóns Worten, nur als „atemberaubend“ beschrieben werden konnte: große Felsvorsprünge zwischen dem Fluss und dem Tropenwald mit einem faszinierenden Blick auf die Savanne am Horizont.
In einem Interview mit Botany One gestand sie jedoch, dass die in den Inselbergen lebenden Pflanzen ihre Schwäche seien. Sie sagte: „Ich Ich konnte nicht glauben, dass sie in einem Felsen leben könnten, der zur Mittagszeit 60 °C hatte. Ich konnte nicht verstehen, wie sie auf einer Oberfläche ohne Erde wuchsen, hoher Strahlung standhielten und mehr als vier Monate lang ohne Wasser auskamen. Als ich zurückkam, wusste ich, dass ich dort etwas unternehmen würde.“ Tatsächlich kehrte sie nach Bojonawi zurück und charakterisierte für ihre Master-Forschung mit ihrem Team die morphologischen und physiologischen Eigenschaften von drei dominanten und endemischen Arten aus verschiedenen Familien: Acanthella sprucei, Mandevilla lancifolia und Tabebuia orinocensis.
Konkret maßen sie 22 Merkmale im Zusammenhang mit der Wasserregulierung, der Blattstruktur und der Photosynthese, darunter Blattfläche und -dicke, Stomatagröße und -dichte sowie maximale Photosynthesekapazität. Diese gründliche Analyse ermöglichte es ihnen, die Strategien dieser Pflanzen zur Nutzung von Wasser, Kohlenstoff und Licht besser zu verstehen. Dennoch war eine solche Analyse unter den Bedingungen des Bojonawi-Naturreservats alles andere als einfach, da sie den Transport von zwei Koffern im Wert von Tausenden von Dollar an einen Ort etwa 700 km von der kolumbianischen Hauptstadt entfernt und lange Gespräche mit dem Flughafenpersonal erforderte, in denen erklärt wurde, warum sie solche Dinge transportierten Erstens und sogar mit einem riesigen und lauten Elektroladegerät, das die Messungen trotz des sengenden Wetters vor Ort aufrechterhalten konnte. Dennoch zahlten sich die Bemühungen von Aragón und seinem Team aus, denn diese detaillierte Analyse half dabei, besser zu verstehen, wie sich diese Pflanzen an diese widrigen Bedingungen angepasst haben.
Wie für diese Umgebungen zu erwarten war, zeigten alle drei Arten morphologische Merkmale, die üblicherweise mit Stresstoleranz verbunden sind, wie zum Beispiel kleine, dicke Blätter mit hohem Trockenmassegehalt. Solche Blätter eignen sich optimal für stressige Umgebungen, da sie aufgrund ihrer geringen Größe nicht zu stark dem Sonnenlicht ausgesetzt sind und durch Transpiration übermäßig viel Wasser verlieren. Darüber hinaus wird diese Art von Blatt mit der Speicherung von Ressourcen in Verbindung gebracht, eine Strategie, die man in Umgebungen, in denen Nährstoffe extrem knapp sind, für sehr nützlich halten würde.
Wenn jedoch physiologische Merkmale ins Spiel kommen, werden die Dinge interessant, da sie uns erkennen lassen, dass es trotz der scheinbaren morphologischen Ähnlichkeit der Pflanzen sehr wichtige Unterschiede in ihrer Physiologie gibt. Mit anderen Worten: Während die Struktur der Blätter dieser Sträucher recht ähnlich ist, ist die Art und Weise, wie sie Wasser, Kohlenstoff und Licht nutzen, nicht ganz ähnlich!
Einerseits haben sie das gefunden A. sprucei hatte im Vergleich zu den beiden anderen Arten eine recht riskante Strategie hinsichtlich der Wassernutzung, da sie die höchste Spaltöffnungsdichte aufwies und Wasser aus ihnen schnell entweichen konnte. Stomata sind winzige lochartige Strukturen, die den Eintritt von Kohlendioxid und den Austritt von Sauerstoff ermöglichen. Es tritt aber nicht nur Sauerstoff aus, sondern auch Wasser. Dieser Wasserabfluss durch die Spaltöffnungen erzeugt die nötige Kraft für die Wasserzirkulation in Pflanzen. Diese Eigenschaften deuten darauf hin A. sprucei kann sehr leicht viel Wasser transportieren. Da es jedoch so viele Stomata gibt, ist die Wahrscheinlichkeit eines Wasserverlusts sogar noch größer, was die Austrocknung der Pflanzen erleichtert!
Dennoch ist das M. lancifolia zeigte eine Strategie, die mit einer höheren Kohlenstoffaufnahme zusammenhängt, da seine Blätter relativ dünner und leichter als die anderen waren, aber eine höhere Photosynthesekapazität hatten, was bedeutet, dass sie darauf ausgelegt waren, Kohlenstoff einzufangen, anstatt ihn zu speichern. Im Gegensatz dazu A. sprucei Die Blätter waren dicker und hatten eine geringere Fähigkeit zur Kohlenstoffassimilation, was darauf hindeutet, dass sie darauf spezialisiert waren, Kohlenstoff zu speichern, anstatt ihn einzufangen.
Diese Ergebnisse stimmen mit den Erkenntnissen der Autoren für Photosynthesemerkmale überein A. sprucei hat ein Tief Lichtausgleichspunkt Im Vergleich zu anderen Arten benötigt es weniger Licht für die Photosynthese, um genügend Energie zu erzeugen, um seinen Stoffwechsel aufrechtzuerhalten und mit der Speicherung von Kohlenstoff zu beginnen. Im Gegensatz dazu sind die anderen Arten besonders T. orinocensis, benötigen mehr Licht, um eine positive Kohlenstoffbilanz zu haben.
Insgesamt unterstreicht die Forschung von Aragón und Kollegen, wie wichtig es ist, sowohl die Morphologie als auch die Physiologie von Pflanzen zu bewerten, um ein vollständigeres Bild der Strategien zu erhalten, die sie zur Besetzung bestimmter Umgebungen verwenden, und der Mechanismen, die diese Strategien ermöglichen. Wie uns Aragón in unserem Interview sagte: „SVor einiger Zeit haben diese Arten den Umweltfilter durch die edaphischen und klimatischen Bedingungen des Inselbergs passiert. Danach nutzten sie die verfügbaren und begrenzten Ressourcen unterschiedlich, um ihr gemeinsames Auftreten sicherzustellen"
Ein weiteres spannendes Ergebnis dieser Forschung ist, dass leicht messbare anatomische Merkmale wie Stomatendichte und -größe (die durch Entnahme gemessen wurden). Drucke mit Nagellack!), kann wichtige Informationen darüber liefern, wie Pflanzen Kohlenstoff und Wasser nutzen. Sie stellten beispielsweise fest, dass sie stark mit anderen Merkmalen korrelieren, die hochentwickelte Ausrüstung erfordern, wie etwa die Kohlenstoffassimilation. Daher verspricht die Einbeziehung in zukünftige Studien wertvolle Einblicke in die Physiologie einer Pflanze, ohne dass kostspielige oder zeitaufwändige Tests erforderlich sind – ein Aspekt, der an abgelegenen Standorten wie dem Bojonawi-Naturschutzgebiet besonders wichtig wäre. Noch wichtiger ist, dass diese Studie zeigt, dass verschiedene Pflanzenarten unterschiedliche ökologische Strategien anwenden können, um die gleichen Herausforderungen zu meistern, selbst wenn sie unter härtesten Bedingungen nebeneinander wachsen. Aragons Faszination für extreme Umgebungen ist nicht erloschen. Jetzt ist sie Doktorandin an der University of Miami und studiert das páramo, ein offenes Ökosystem, das auf den Gipfeln der Berge der amerikanischen Tropen über den Wäldern entsteht, wo niedrige Temperaturen und hohe Strahlung eher die Regel als die Ausnahme sind. Wir hoffen, dass Aragon uns auch in Zukunft mit neuen Entdeckungen darüber überraschen wird, wie Pflanzen es schaffen, sich an den unerwartetsten Orten zu etablieren.
DER ARTIKEL::
Aragón, L., Messier, J., Atuesta-Escobar, N. & Lasso, E. (2023). Tropische Sträucher, die in einer extremen Umgebung leben, zeigen konvergente ökologische Strategien, aber unterschiedliche ökophysiologische Strategien. Annals of Botany, 131(3), 491-502. https://doi.org/10.1093/aob/mcad002
Carlos A. Ordóñez-Parra
Carlos (er/er) ist ein kolumbianischer Saatgutökologe, der derzeit an der Universidade Federal de Minas Gerais (Belo Horizonte, Brasilien) promoviert und als Wissenschaftsredakteur bei Botany One arbeitet. Sie können ihm auf Twitter unter @caordonezparra folgen.
Spanische und portugiesische Übersetzung von Carlos A. Ordóñez-Parra.
Titelfoto von Lina Aragón.
