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Mark van Kleunen: Pflanzenspezies und was sie uns erzählen

Prof. Dr. Mark van Kleunen, Biologe an der Universität Konstanz, untersucht den Einfluss des Klimawandels auf besondere Pflanzenarten. So befasst sich der Niederländer zum Beispiel mit klonalen Pflanzenspezies, die sich asexuell fortpflanzen und damit eine exakte Kopie ihres genetischen Codes produzieren. In diesem Zusammenhang gilt das Augenmerk des Konstanzer Professors den genetischen Variationen der in den Alpen wachsenden Krautweide (Salix herbacea).

Prof. Dr. Mark van Kleunen, Biologe an der Universität Konstanz © privat

Die Flora der Erde ist wahrscheinlich am stärksten vom Klimawandel betroffen. Dabei gibt es drei Möglichkeiten, wie sich Pflanzen bei einer Veränderung der Umwelt verhalten können: Sie migrieren, passen sich an oder sterben aus. Darum kann der Klimawandel auch Möglichkeiten für Pflanzen bieten, die in unserer Umgebung für gewöhnlich nicht heimisch sind. „So können sich hier bei uns Pflanzen ausbreiten, die wir lediglich in Gärten halten und die momentan in der Wildnis in unserer Gegend gar nicht vorkommen“, erklärt Prof. Dr. Mark van Kleunen. Der Biologe untersucht den Einfluss des Klimawandels sowie des Menschen auf diverse Pflanzenspezies. Außerdem forscht er nach Möglichkeiten, negative Effekte, wie eine Reduktion des Wachstums oder der Samenproduktion, auf eben jene Pflanzenarten aufzuhalten.

Klonales Wachstum, also die Fähigkeit von Pflanzen, sich vegetativ zu vermehren, gilt als eine der bemerkenswertesten Anpassungen an die Verhältnisse in kalten Lebensräumen. Manche Spezies wie der Löwenzahn pflanzen sich mittels asexueller Methoden fort und bilden somit eine exakte genetische Kopie ihrer selbst. In Mitteleuropa sind etwa 70 Prozent der Pflanzenarten sogenannte klonale Spezies. Diese Spezies haben einige einzigartige Fähigkeiten: „Die Mutterpflanzen können beispielsweise für lange Zeit mit den Tochterpflanzen in Verbindung bleiben und somit Ressourcen austauschen, was als klonale Integration bezeichnet wird“, berichtet van Kleunen. Es wird vermutet, dass klonale Spezies die Richtung, in die sie ihre Tochterpflanzen setzen, bestimmen können. Dieses sogenannte „foraging“ bietet diesen Pflanzen die Möglichkeit, ihre Tochterpflanzen in eine Umwelt zu positionieren, die für sie günstig scheint.

Mark van Kleunen untersucht zurzeit diese phänomenale Fähigkeit dieser Pflanzen. Er überprüft, ob diese Fähigkeit ihnen in Konkurrenz mit anderen Spezies, die diese Fähigkeit nicht besitzen, einen Vorteil verschafft. Eine der vielen Versuchsobjekte von van Kleunen ist Salix herbacea, zu Deutsch die Krautweide. Diese Art untersucht der Konstanzer mit seinem Doktoranden Janosch Sedlacek sowie Wissenschaftlern aus der Schweiz und Schweden innerhalb eines Sinergia-Projekts (Schweizerischer Nationalfonds).

Salix herbacea - Der kleinste Baum der Welt

Salix herbacea, auch kleinster Baum der Welt genannt, tritt in den arktischen Gebieten Europas und Nordamerikas auf sowie in den Alpen. Er wächst in einer Höhe von 1.900 Metern über dem Meeresspiegel. Für gewöhnlich bestehen seine Zweige aus einem fünf Zentimeter langen Stängel und drei bis fünf Blättern. Den größten Teil seiner Masse besitzt der Baum jedoch unterirdisch in Form von umfangreichen Rhizomen, das sind unterirdische dichte Sprossachsensysteme.

„Als Folge der Vermehrung durch asexuelles Klonen könnten Individuen dieser Spezies extrem alt sein. Modelling-Studien haben gezeigt, dass diese Spezies aus vielen Teilen der Alpen in Folge des Klimawandels irgendwann verschwinden könnten“, berichtet van Kleunen. Dies lässt sich jedoch nicht für den gesamten Alpenraum bestimmen, da sich die Alpen durch eine große Variation an Mikrotopografien auszeichnen und sich die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen nicht in einem Modell abbilden lassen. Hinzu kommt, dass die Spezies einen gewissen adaptiven Puffer haben könnte, wodurch sie sich in einem bestimmten Maß mittels phänotypischer Plastizität und Evolution an die veränderten Klimabedingungen anpasst. Ein hoher Wert der phänotypischen Plastizität bedeutet, dass sich Umwelteinflüsse stark auf den sich individuell entwickelnden Phänotyp auswirken. Durch die Untersuchung genetischer Strukturen von Salix herbacea möchte der Konstanzer Biologe herausfinden, welches Potenzial in klonalen Spezies liegt.

Feldstudien an der Krautweide

Feldstudien werden von den Forschern direkt in den Schweizer Alpen nahe Davos durchgeführt. Daran beteiligt sind Kollegen des WSL-Instituts für Schnee-und Lawinenforschung (SLF). Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Mark van Kleunen führen Analysen dieser Spezies in Höhen von 1.900 bis 2.500 Metern über dem Meeresspiegel durch. „Auf diesen Höhen findet man viele Individuen von Salix herbacea in typischen Alpengebieten, in denen der Schnee bis in den Sommer liegen bleiben kann“, so van Kleunen. Die Transekte befinden sich auf drei unterschiedlichen Bergen: Wannengrat, Jakobshorn und Schwarzhorn. Bei dem unteren und oberen Teil jedes Transekts gibt es zwei große Areale, in denen 100 Exemplare von Salix herbacea markiert worden sind. Einer dieser Standorte ist in einem typischen Schneebett, der andere befindet sich an einem sogenannten Kamm, wo der Schnee bereits zu Beginn des Sommers schmilzt.

Feldarbeit im Salix-herbacea-Projekt auf dem Jakobshorn © Mark van Kleunen

Die Forscher verfolgen zwei Vorgehensweisen. Einerseits werden Messungen von Pflanzenmerkmalen im Feld mit DNA-Daten kombiniert, um die genetische Ähnlichkeit zu bestimmen. „Nach der sogenannten Ritland-Methode berechnen wir die Heritabilität der Merkmale“, bemerkt van Kleunen. Dabei handelt es sich um einen Regressionsansatz, bei dem man die Ähnlichkeit in einem phänotypischen Merkmal zwischen zwei Individuen gegen den Grad der Verwandtschaft der beiden Individuen vergleicht. "Ist eine Relation zwischen phänotypischer Ähnlichkeit und Verwandtschaft gegeben, bedeutet dies nach Kermit Ritland, dass eine Variation in den phänotypischen Eigenschaften eine erbliche Komponente hat", erklärt Mark van Kleunen. Darüber hinaus werden die Versuchsobjekte zwischen verschiedenen Mikrohabitaten reziprok verpflanzt, um die phänotypische Plastizität zu bestimmen. "Das ermöglicht uns Schätzungen darüber, wie viel der phänotypischen Variation vererbbar ist und welches evolutionäre Potenzial in ihnen steckt“, erläutert der Biologe.

Heritabilitätsanalyse mit Ritland-Verfahren

Um die durch den Klimawandel bedingte Veränderung des Lebensraumes der Krautweide aufzuzeigen, werden drei Arten pflanzlicher Eigenschaften betrachtet. In der Phänologie werden die Produktionszeit von Blättern und Blüten analysiert und somit der Anfang und das Ende der Blütezeit einer jeden markierten Pflanze bestimmt. Ebenfalls unter die Lupe genommen wird die Speicherung von Kohlenhydraten in Stamm und Blättern der Pflanze. Diese Werte geben Auskunft über den Standort und über dessen Mängel oder Reichhaltigkeit. „Wir gehen dabei der Frage nach, ob eine Pflanze ‘sink-limitiert' oder ‘source-limitiert‘ charakterisiert ist“, konstatiert Mark van Kleunen. Als "source-limitierte" Pflanzen bezeichnet man diejenigen, deren Wachstum beschränkt ist, da nicht genügend Kohlenstoff zur Verfügung steht. Dagegen spricht man von "sink-limitierten" Pflanzen, sofern durch niedrige Temperaturen die Aktivität der Bildungsgewebe beschränkt ist, obwohl genug Kohlenstoff vorhanden ist. In diesen Fällen sind Wachstumsprozesse limitiert und Kohlenhydrate werden gespeichert. „Studien haben gezeigt, dass die Baumgrenze in den Alpen vor allem durch ‘Sink-Limitierung‘ bestimmt wird, und wir versuchen zu klären, ob das auch auf Salix herbacea zutrifft“, berichtet der Biologe. Auch die Leistungseigenschaften der Pflanzen in Bezug auf die Produktion von Früchten und neuen Stämmen werden untersucht.

Mit Hilfe von molekulargenetischen Methoden, wie der Mikrosatelliten-Analyse werden vererbbare genetische Variationen in den Eigenschaften der Pflanzen verglichen. Mikrosatelliten sind kurze, nicht kodierende DNA-Sequenzen, die im Genom eines Organismus oft wiederholt werden. „Es handelt sich um neutrale DNA-Marker, welche wir benutzen, um die Verwandtschaft zwischen den Pflanzen im Feld zu bestimmen“, erklärt van Kleunen. Kombiniert mit den Ähnlichkeiten der Merkmale dieser Pflanzen geben sie Auskunft über vererbbare genetische Variationen. „Die molekularen Daten zeigen bereits, dass es Unterschiede im Grad der Verwandtschaft zwischen den untersuchten Pflanzen gibt“, so Prof. Dr. Mark van Kleunen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen müssen noch ausgewertet und weiter verfolgt werden. „Studien zum Einfluss des Klimawandels auf die Flora müssen meist über einen längeren Zeitraum betrieben werden, da evolutionäre Anpassung einiger Spezies viele Jahre in Anspruch nimmt“, fasst Mark van Kleunen zusammen.

Zur Person:
Prof. Dr. Mark van Kleunen promovierte an der Universität Zürich zum Thema Evolution der Lebensgeschichte klonaler Pflanzen unter der Leitung von Markus Fischer und Bernhard Schmidt. Seine Forschungsinteressen führten ihn an die University of KwaZulu-Natal in Südafrika, wo er an einem Projekt über die Bestäubung von invasiven Pflanzenarten arbeitete. An der Universität Bern, wo er wieder in der Gruppe von Markus Fischer arbeiten konnte, fand er die Möglichkeit, seine eigene kleine Forschungsgruppe zu gründen. Diese Position bereitete ihn gut auf seine derzeitige Professur an der Universität Konstanz vor, die er seit Februar 2011 innehat.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/mark-van-kleunen-pflanzenspezies-und-was-sie-uns-erzaehlen