Klimawandel und Nahrungsmittelproduktion im Wettbewerb um unterirdische Grundstücke durch Pflanzenwurzeln beeinflusst.

0

Sie haben vielleicht Pflanzen beobachtet, die um das Sonnenlicht konkurrieren – die Art und Weise, wie sie sich nach oben und außen strecken, um sich gegenseitig den Zugang zu den Sonnenstrahlen zu versperren – aber außer Sichtweite, findet unter der Erde eine andere Art von Konkurrenz statt. So wie Sie vielleicht die Art und Weise ändern, wie Sie im Pausenraum nach kostenlosen Snacks suchen, wenn Ihre Kollegen anwesend sind, so ändern Pflanzen ihre Nutzung der unterirdischen Ressourcen, wenn sie neben anderen Pflanzen gepflanzt werden.

In einem heute in Science veröffentlichten Artikel beleuchtet ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Princeton-Absolventen Ciro Cabal das unterirdische Leben der Pflanzen. Ihre Forschung verwendete eine Kombination aus Modellierung und einem Gewächshausexperiment, um herauszufinden, ob Pflanzen, wenn sie allein gepflanzt werden, anders in Wurzelstrukturen investieren als wenn sie neben einem Nachbarn gepflanzt werden.

“Diese Studie hat viel Spass gemacht, weil sie mehrere verschiedene Arten von Geistesschokolade kombinierte, um scheinbar widersprüchliche Ergebnisse in der Literatur miteinander in Einklang zu bringen: ein cleveres Experiment, eine neue Methode zur Beobachtung von Wurzelsystemen in intakten Böden und eine einfache mathematische Theorie”, sagte Stephen Pacala, der Frederick D. Petrie-Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie (EEB) und Seniorautor der Arbeit.

“Während die oberirdischen Teile der Pflanzen umfassend untersucht wurden, einschliesslich der Frage, wie viel Kohlenstoff sie speichern können, wissen wir viel weniger darüber, wie die unterirdischen Teile – das heisst die Wurzeln – Kohlenstoff speichern”, sagte Cabal, ein Doktorand in Pacalas Labor. “Da etwa ein Drittel der weltweiten Vegetationsbiomasse, also des Kohlenstoffs, unterirdisch ist, bietet unser Modell ein wertvolles Instrument zur Vorhersage der Wurzelvermehrung in globalen Erdsystemmodellen.

Pflanzen bilden zwei verschiedene Arten von Wurzeln: Feinwurzeln, die Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen, und grobe Transportwurzeln, die diese Stoffe zurück zum Pflanzenzentrum transportieren. Die “Investition” der Pflanze in Wurzeln betrifft sowohl das Gesamtvolumen der produzierten Wurzeln als auch die Art und Weise, wie diese Wurzeln im Boden verteilt sind. Eine Pflanze könnte alle ihre Wurzeln direkt unter ihren Trieben konzentrieren, oder sie könnte ihre Wurzeln horizontal ausbreiten, um im angrenzenden Boden nach Futter zu suchen – was die Gefahr der Konkurrenz mit den Wurzeln benachbarter Pflanzen birgt.

Das Modell des Teams sagte zwei mögliche Ergebnisse für Wurzelinvestitionen voraus, wenn Pflanzen sich den Boden teilen. Im ersten Ergebnis “kooperieren” die benachbarten Pflanzen, indem sie ihre Wurzelsysteme trennen, um Überlappungen zu reduzieren, was dazu führt, dass insgesamt weniger Wurzeln produziert werden, als wenn sie einzeln stehen würden. Im zweiten Ergebnis, wenn eine Pflanze aufgrund der Anwesenheit eines Nachbarn auf einer Seite reduzierte Ressourcen spürt, verkürzt sie ihr Wurzelsystem auf dieser Seite, investiert aber mehr in Wurzeln direkt unter ihrem Stamm.

Die natürliche Auslese sagt dieses zweite Szenario voraus, weil jede Pflanze ihre eigene Fitness erhöht, unabhängig davon, wie sich diese Handlungen auf andere Individuen auswirken. Wenn die Pflanzen sehr nahe beieinander stehen, könnte diese erhöhte Investition in das Wurzelvolumen trotz der Trennung dieser Wurzeln zu einer Tragödie der Allmende führen, wodurch die Ressourcen (in diesem Fall Bodenfeuchtigkeit und Nährstoffe) erschöpft werden.

Um die Vorhersagen des Modells zu testen, züchteten die Forscher Pfefferpflanzen in einem Gewächshaus sowohl einzeln als auch paarweise. Am Ende des Versuchs färbten sie die Wurzeln der Pflanzen verschiedenfarbig, so dass sie leicht erkennen konnten, welche Wurzeln zu welcher Pflanze gehörten. Dann berechneten sie die Gesamtbiomasse des Wurzelsystems jeder Pflanze und das Verhältnis von Wurzeln zu Trieben, um zu sehen, ob die Pflanzen die Menge an Energie und Kohlenstoff, die sie in unter- und oberirdischen Strukturen deponierten, veränderten, wenn sie neben Nachbarn gepflanzt wurden, und zählten die Anzahl der von jeder Pflanze produzierten Samen als Maß für die relative Fitness.

Das Team entdeckte, dass das Ergebnis davon abhängt, wie nahe ein Pflanzenpaar beieinander steht. Wenn sie sehr nahe beieinander gepflanzt werden, werden die Pflanzen eher stark in ihr Wurzelsystem investieren, um zu versuchen, sich gegenseitig um endliche unterirdische Ressourcen zu übertreffen; wenn sie weiter auseinander gepflanzt werden, werden sie wahrscheinlich weniger in ihr Wurzelsystem investieren als eine Solitärpflanze.

Insbesondere stellten sie fest, dass Paprikapflanzen, wenn sie in der Nähe anderer Pflanzen gepflanzt werden, die Investitionen in ihre Wurzeln lokal erhöhen und die horizontale Ausdehnung ihrer Wurzeln verringern, um die Überlappung mit Nachbarn zu reduzieren. Es gab keinen Beweis für ein “Tragödie der Allmende”-Szenario, da es keinen Unterschied in der gesamten Wurzelbiomasse oder der relativen Investition in Wurzeln im Vergleich zu oberirdischen Strukturen (einschließlich der Anzahl der pro Pflanze produzierten Samen) für Solitär- und Ko-Lebensgemeinschaften gab.

Die Pflanzen entziehen der Atmosphäre Kohlendioxid und lagern es in ihren Strukturen ab – und ein Drittel dieses vegetativen Kohlenstoffs wird in den Wurzeln gespeichert. Das Verständnis, wie Veränderungen der Kohlenstoffablagerung in verschiedenen Szenarien dazu beitragen könnten, die Kohlenstoffaufnahme genauer vorherzusagen, was wiederum dazu beitragen könnte, Strategien zur Eindämmung des Klimawandels zu entwerfen. Diese Forschung könnte auch dazu beitragen, die Nahrungsmittelproduktion zu optimieren, denn um den Ernteertrag zu maximieren, ist es hilfreich zu verstehen, wie

Share.

Leave A Reply