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Ein Forschungsteam berechnet die globale Wassernutzungseffizienz von C3-Pflanzen über Veränderungen in der Isotopendiskriminierung von Kohlenstoffatomen.

Wie reagieren Pflanzen auf steigende Kohlendioxid-Konzentrationen? Viele Studien haben die Auswirkungen von Kohlendioxid auf Landpflanzen zum Thema, aber bisher waren Berechnungen meist auf einzelne Regionen beschränkt. In einer neuen Studie haben Forscher jetzt die Reaktion von Landpflanzen auf steigende Kohlendioxid-Werte auf einer globalen Ebene berechnet.

Isotopendiskriminierung und ¹³C-Suess-Effekt

Das Element Kohlenstoff kommt in der Natur hauptsächlich in Form zweier stabiler Isotope vor, ¹²C und ¹³C, mit gleichen chemischen Eigenschaften. Beide sind in der Atmosphäre enthalten. Bei der Photosynthese reagiert ¹²C-haltiges Kohlendioxid schneller mit der RuBisCo, dem wichtigsten Photosyntheseenzym, als ¹³C-haltiges Kohlendioxid. Dieser Effekt wird als Isotopendiskriminierung bezeichnet. Er ist bei C3-Pflanzen ausgeprägter als bei C4- und CAM-Pflanzen, weil C3-Pflanzen Kohlendioxid nur über die RuBisCo fixieren, während C4- und CAM-Pflanzen eine spezielle Vorfixierung über andere, nicht-diskriminierende Enzyme haben, die diesen Effekt abschwächen.

Die Isotopendiskriminierung führt dazu, dass in Pflanzen weniger ¹³C zu finden ist als in der Atmosphäre, ebenso in aus Pflanzen entstandener fossiler organischer Substanz (Kohle, Öl). Wird diese verfeuert, enthält das frei werdende Kohlendioxid weniger ¹³C als die Atmosphäre, so dass das Verhältnis zwischen ¹³C und ¹²C in der Atmosphäre abnimmt (¹³C-Suess-Effekt). In der Atmosphäre hat sich dieses Verhältnis von -6,4 ‰ (Messungen aus Eisbohrkernen für das Jahr 1765) auf -8,4 ‰ (direkte Messungen von 2014) verschoben.

„Lücke“ zwischen Messdaten und Modell

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Das Forschungsteam wertete atmosphärische Daten zum ¹³C/¹²C-Verhältnis (δ13C) aus den letzten 36 Jahren (1978 bis 2014, vom Mauna Loa/Hawaii und aus Eisbohrkernen vom Südpol) aus und verglich die gemessenen Daten mit denen der Standard-Berechnungsmethode. Es entdeckte dabei, dass eine Diskrepanz im ¹³C/¹²C-Verhältnis zwischen Messungen und Berechnungen auftrat. Das Standard-Berechnungsmodell kam für diesen Zeitraum zu einer stärkeren Abnahme des ¹³C-Gehaltes als die Messungen. Der ¹³C-Suess-Effekt in der Atmosphäre hätte demnach stärker ausfallen müssen als es tatsächlich der Fall war.

Nachdem das Forschungsteam verschiedene Mechanismen untersucht hatte, die eventuell auf dieses Phänomen Einfluss nehmen könnten (zum Beispiel die Erwärmung der Ozeane), stellte es fest, dass nur ein Effekt die beobachtete Diskrepanz erklären konnte: Eine Zunahme der Isotopendiskriminierung durch die Landpflanzen parallel zur steigenden Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre. Denn dann wird in Zuge einer erhöhten Kohlendioxid-Fixierung auch vermehrt ¹²C fixiert und mehr ¹³C verbleibt in der Atmosphäre. Modellierungen der Zunahme der Isotopen-Diskriminierung senkte den ¹³C-Suess-Effekt in der Atmosphäre und schloss die beobachtete Lücke.

Hinweis auf globale Veränderungen bei Landpflanzen

Das Forschungsteam schließt daraus, dass dieser Mechanismus eine globale Veränderung bei den Vorgängen in der Kohlendioxid-Fixierung von C3-Pflanzen aufzeigt. C3-Pflanzen machen 95 Prozent der globalen Biomasse aus. Änderungen in der Kohlendioxid-Fixierung wirken sich daher deutlich stärker auf das atmosphärische ¹³C/¹²C-Verhältnis aus als Veränderungen bei C4- und CAM-Pflanzen. Das Forschungsteam modellierte die verbesserte Kohlendioxid-Fixierung auf Grundlage der beobachteten, erhöhten Isotopendiskriminierung und konnte so errechnen, dass die Pflanzen durch die höheren Kohlendioxid-Konzentrationen auch über eine verbesserte Wassernutzungseffizienz („water use efficiency“, WUE) verfügen müssen.

Durch eine erhöhte Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre ist auch mehr Kohlendioxid innerhalb der Blätter für die Photosynthese vorhanden, so dass die Pflanze es sich leisten kann, ihre Blattöffnungen (Stomata) weniger weit zu öffnen. In der Folge verringert sich der Verlust an Wasserdampf, der durch die Stomata entweicht. Die Pflanze kann daher bei gleich bleibender Photosyntheseleistung effektiv Wasser sparen. Das Forschungsteam berechnete eine Steigerung der globalen Wassernutzungseffizienz von etwa 20 Prozent im Laufe des 20. Jahrhunderts.

Mit diesem Berechnungsmodell konnte das Team einen direkten Zusammenhang zwischen steigenden Kohlendioxid-Konzentrationen und der globalen Reaktion von Landpflanzen aufzeigen. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Baustein bei der Berechnung von Klimamodellen, denn sie stellen einen direkten Zusammenhang zwischen erhöhten Kohlendioxid-Konzentrationen und optimierter Wassernutzung her – ein wichtiger Punkt bei der Anpassung von Pflanzen an zukünftige Klimaänderungen.