Wie teilen Pflanzen Biomasse zu, wenn sie gleichzeitig mit ihren Nachbarn um ober- und unterirdische Ressourcen konkurrieren und sich gegen Insektenfresser verteidigen? Wie wirkt sich dieser Selektionsdruck auf die natürliche Selektion von Pflanzenmerkmalen aus?

Die Wechselwirkungen zwischen Ressourcenkonkurrenz und Herbivorenabwehr sind komplex und experimentell nur schwer zu untersuchen. Jüngste Fortschritte bei der Modellkonfiguration und -integration haben es ermöglicht, die Rolle solch komplexer Wechselwirkungen bei der Pflanzenauswahl zu verstehen in silico.

Dr. Jorad de Vries von der ETH Zürich zusammen mit Jochem Evers, Erik Poelman und Niels Anten von der Universität Wageningen entwickelten eine neuartige Modellierungsmethode, um zu verstehen, wie unterschiedliche Ebenen der Ressourcenverfügbarkeit, des Wettbewerbsdrucks und des Drucks der Pflanzenfresser die Auswahl auf das Gleichgewicht zwischen dem Erwerb und dem Schutz von Ressourcen über mehrere Generationen hinweg beeinflussen.

Die Autoren entwickelten ein Simulationsmodell, das ein funktional-strukturelles Pflanzenmodell des Pflanzenwachstums in einem 3D-Lichtklima mit einem Modell der natürlichen Selektion kombiniert. „Durch die Kombination dieser beiden etablierten Methoden sind wir in der Lage, das komplexe Verhalten zu erforschen, das sich aus Interaktionen zwischen mehrdimensionalen Pflanzen und ihrer mehrdimensionalen Umgebung ergibt, die von Mechanismen angetrieben werden, die von pflanzenphysiologischen bis hin zu öko-evolutionären Skalen reichen“, so de Vries.

Das in dieser Studie vorgestellte evolutionäre funktional-strukturelle Pflanzenmodell war in der Lage, die funktionalen Gleichgewichte wiederherzustellen, die von den wichtigsten ökologischen Theorien über die Auswirkungen der Ressourcenverfügbarkeit und ressourcengesteuerter Kompromisse vorhergesagt wurden. Diese Ergebnisse waren:

• Ressourcenbeschränkung erhöhte Biomasseallokation auf Pflanzenteile, die diese Ressource erwerben (Licht: Blätter und Stängel, N: Wurzeln).
• Pflanzen in stickstoffarmen Umgebungen zeigten aufgrund der verringerten Fähigkeit zum erneuten Wachstum in diesen Umgebungen ein höheres Abwehrniveau.
• Dichte Bestände, die aufgrund der inhärenten Asymmetrie des höhengesteuerten Wettbewerbs um Licht für große Pflanzen ausgewählt wurden.
• Selektionsoptimierte Abwehrverteilung im Kronendach zum Schutz der wertvollsten Blätter im Hinblick auf aktuelle Ressourcenallokation und zukünftigen Ressourcenerwerb.

Diese Arbeit zeigt, dass der Wert der Investition von Pflanzen in den Erwerb oder Schutz von Ressourcen ein dynamisches Problem ist, das von mehreren ökologischen Wechselwirkungen, Kompromissen und Tragödien der Gemeingüter beeinflusst wird und daher einen öko-evolutionären Kontext erfordert, um vollständig zu sein verstanden. Mechanistische Modellierungsansätze, wie der hier vorgestellte, haben das Potenzial, Forschern dabei zu helfen, die Reaktionen von Pflanzen auf dynamische und variable Umgebungen besser zu verstehen.

Der Modellcode und die vom Modell generierten Daten sind im Dryad-Repository unter öffentlich verfügbar https://doi.org/10.5061/dryad.bnzs7h474.