Blattformen als Umwelt-Indikator

Die mathematische Analyse von Blattformen ermöglicht Aussagen über Herkunft und Umwelteinflüsse. Auch die Pflanzenzüchtung könnte davon profitieren.

Das Blatt einer Pflanze ist bekanntlich ein Organ für die Photosynthese. Seine Form und Struktur gibt aber nicht nur Aufschluss über die Zugehörigkeit zu einer Pflanzenfamilie, sondern kann auch verraten, unter welchen klimatischen Bedingungen eine Pflanze aufwuchs. Auch Nährstoff- oder Wassermangel lässt sich an den Blättern ablesen. Ein Blatt ist daher wie ein Archiv. Um das alles zu entschlüsseln, gab es schon viele verschiedene Ansätze. Ein Forschungsteam hat nun in einer Studie eine neue, auf einem mathematischen Modell basierende Methode entwickelt, um dieses Archiv zu lesen und diese Daten in einem Atlas zu katalogisieren.

Mathematik als Schlüssel für Strukturen

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Für seinen Atlas vermaß das Forschungsteam 182.707 Blätter aus 141 Pflanzenfamilien und von 75 verschiedenen Orten weltweit. Um die Blattform möglichst genau vermessen zu können, nutze das Team die persistente Homologie, eine mathematische Methode aus der Topologie. Damit ist es möglich, räumliche Strukturen zu berechnen.

Bisher verwendete Verfahren zum Vergleichen von Blattflächen nahmen oftmals spezielle, arttypische Punkte der Fläche eines Blattes als Koordinaten, um die Form zu bestimmen, zum Beispiel die Spitzen eines Ahornblattes. Über diese Orientierungshilfen („landmarks“) kann die Blattform verschiedener Blätter einer Art untereinander verglichen werden, so dass Unterschiede, die durch Umwelteinflüsse (Lichtmenge, Wasser) entstehen, sichtbar werden.

Allerdings gibt es viele Pflanzenarten mit weniger markanten Blättern, so dass es schwierig wird, typische Orientierungspunkte festzulegen. Hier setzt das Verfahren der persistenten Homologie an. Bei diesem Verfahren werden räumliche Strukturen wie zum Beispiel ein Kreis in scheinbar unorganisierten Punktwolken über eine Funktion mathematisch beschrieben. Diese Methode wird in vielen anderen Forschungsbereichen bereits genutzt, etwa bei der Entschlüsselung von Strukturen in Neuronen-Netzwerken oder auch in Musikstücken.

Genaue Berechnungen der Blattform

Das Forschungsteam scannte die Kontur des Blattes ab und unterteilte es in 16 Einzelflächen. Anschließend analysierte es die entstandenen Punktwolken aus Pixeln: Jedem Pixel wurde ein Wert zugeordnet, der sich an der Pixeldichte in der direkten Umgebung orientierte. Eine Analyse der Verteilung der Werte ergab eine genaue Abbildung der Blattform.

Auf diesem Weg konnte das Forschungsteam die Formen der Blätter untereinander vergleichen und Übereinstimmungen sowie Unterschiede katalogisieren. Zudem konnte es in 27,3 Prozent der Fälle anhand der Form bestimmen, zu welcher Familie die jeweilige Pflanze gehörte. Außerdem war es teilweise möglich zu sagen, woher die Pflanze stammte und in was für einer Umgebung das Blatt gebildet worden war (in 14,5 Prozent der Fälle). Mit bisherigen Verfahren klappte die Bestimmung der Pflanzenfamilie über die Blattform in nur 10,2 Prozent der Fälle und im Falle der Herkunft des Blattes nur in 9,5 Prozent.

Atlas des Wissens

Der hieraus entstandene Atlas ermöglicht es, Blätter von Pflanzen über eine Vielzahl von Pflanzenfamilien hinweg zu vergleichen. Bisher gab es solche vergleichende Studien nur zu nah verwandten Pflanzenarten. Auch in die Evolution der Pflanzen gibt die Methode Einblick: Das Forschungsteam konnte deutliche Unterschiede in verschiedenen phylogenetischen Gruppen zeigen und auch die morphologische Diversität innerhalb von Pflanzenfamilien berechnen. Damit können Rückschlüsse auf die Evolution von Blattformen gezogen werden. Die Methode ermöglicht auch Rückschlüsse von der Blattform auf Umweltfaktoren und damit Rückschlüsse auf das Klima der Region. Damit ist es möglich, fossile Blätter zu untersuchen und die vorherrschenden Klimate vergangener Zeiten zu bestimmen.

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Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Das Ziel des Forschungsteams ist es, einen möglichst vollständigen Katalog von Blattformen zu erstellen. Die mathematische Methode könnte außerdem dazu genutzt werden, sämtliche Strukturen einer Pflanze zu beschreiben, vom Wurzelwerk bis hin zu den Verzweigungen in der Krone eines Baumes. Wenn alle Teile einer Pflanze mittels derselben mathematischen Methode beschrieben werden, können sie auch untereinander verglichen werden.

Eine zukünftig denkbare Anwendung davon wäre die Identifikation von morphologischen Merkmalen direkt im Feld. Neben der Artbestimmung könnte die Methode auch zur Feld-Phänotypisierung eingesetzt werden. Hier wird erfasst, ob sich die durch Züchtung vorgegebenen Merkmale wie gewünscht im Phänotyp zeigen. Da der Phänotyp immer ein Ergebnis zwischen den genetisch festgelegten Eigenschaften und dem Einfluss der Umwelt ist, könnten so die Auswirkungen des Zusammenspiels zwischen Genom und Umwelteinflüssen schnell und zuverlässig erkannt und angepasst werden.

Durch Kombination der Genomdaten mit Daten zu Klima und anderen Standortfaktoren könnten Modellierungen der entstehenden Phänotypen möglich werden. So könnten neue Züchtungen von Feldfrüchten am Computer modelliert und unerwünschte Eigenschaften bereits im Vorfeld ausgeschlossen werden.