Trockene Zeiten, magere Erträge

Wer einen Garten hat, der hat es längst bemerkt. Auch im Frühjahr 2020 ist Regen lange ausgeblieben. Im April fielen laut Deutschem Wetterdienst nur etwa 17 Liter pro Quadratmeter Niederschlag – das ist ein knappes Drittel des langjährigen Durchschnittswerts. Viele Messstationen in der Mitte und im Süden des Landes registrierten über vier Wochen lang keinen einzigen Regentropfen. Die oberen Bodenschichten trockneten aus, die Waldbrandgefahr stieg heftig, erste Brände sind bereits ausgebrochen. Auch an der Westküste Amerikas vertrocknen die Böden. Und dabei hat der Sommer noch nicht einmal begonnen.

Dürrephasen werden in den nächsten Jahren vermutlich häufiger und zudem länger andauern als bisher. Sie sind eine Folge des Klimawandels. Doch ohne Wasser können Pflanzen sich nicht richtig entwickeln. Darunter leiden letzten Endes wir alle, die auf Pflanzen als Nahrungsquelle angewiesen sind. Schon heute verursacht Trockenheit mehr Ernteverluste als alle Pflanzenpathogene zusammen.

Mehr Gießen ist keine Option

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Es ist jedoch keine Lösung, dem Problem lediglich mit verstärktem Bewässern zu begegnen. Denn in vielen Weltregionen trocknen auch große Wasserspeicher aus. Modellrechnungen zeigen, dass im Jahr 2050 der Wasserbedarf für die Landwirtschaft um 50 Prozent steigen könnte, während die Menge an verfügbarem Wasser schätzungsweise um 50 Prozent sinken wird. Weltweit forschen daher Wissenschaftler an neuen Sorten, die auch mit weniger Wasser einen guten Ertrag liefern.

Denn Pflanzen haben durchaus Strategien entwickelt, um mit zumindest kurzfristigem Wassermangel umzugehen. Sie schließen die Stomata, damit weniger Wasserdampf aus den Blättern entweicht. Gleichzeitig kurbeln sie das Wurzelwachstum an, um mehr Wasser aus dem Boden aufzunehmen. Sie gehen dabei geschickt vor. Längere und vor allem tiefere Wurzeln können Wasservorräte in unteren Bodenschichten anzapfen. In Regionen, wo noch beständig ein geringer Niederschlag fällt, sind hingegen oberflächennahe Wurzeln von Vorteil, die das wenige Regenwasser aufsaugen können, bevor es verdunstet. Selbst wenn Wasser ungleichmäßig im Boden verteilt ist, bemerkt die Pflanze das und lässt ihre Wurzeln vor allem in Richtung dieser Oasen wachsen.

Zell- und zeitspezifische Genexpression

Es sind bereits zahlreiche Gene bekannt, die Pflanzen dabei helfen, Phasen von Trockenheit zu überleben. Doch wenn man diese Gene überexprimiert, leiden darunter das Wachstum und der Ertrag. „Vielleicht wäre es besser, solche Gene nur zell- oder zeitspezifisch zu exprimieren“, vermuten Forscher um Ana Caño-Delgado vom Centre for Research in Agricultural Genomis in Spanien.

Mikroben vielleicht hilfreich

Auch Bodenbakterien, die mit Wurzeln assoziiert sind, könnten Pflanzen dabei helfen, gesund und vital durch Dürrephasen zu kommen. Arbuskuläre Mycorrhiza-Pilze beispielsweise können ihren Wirtspflanzen antioxidative Enzyme zur Verfügung stellen und damit eine bessere Wassernutzungseffizienz fördern. Auch Streptomyceten und bestimmten Rhizobakterien wird ein positiver Effekt nachgesagt. Bisher haben Wissenschaftler das jedoch nur im Gewächshaus erforscht und nicht unter realen Feldbedingungen an landwirtschaftlichen wichtigen Kulturpflanzen. Das soll sich jetzt ändern, fordert das Team um Alex Williams von der Universität Manchester in einem Science Paper: „Ein besseres Verständnis der Pflanzen-Mikroben-Interaktion und wie sich diese bei Trockenheit verändert, wird viele neue Forschungsansätze eröffnen, um die Trockenstresstoleranz bei Pflanzen zu verbessern.“

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Experimente müssen gut geplant werden

Wie gut eine Pflanze mit Trockenheit umgehen kann, hängt von vielen Variablen ab. Es ist in Experimenten schwierig, den Einfluss einzelner Variablen wie Wasseraufnahme oder Transpirationseffizienz sicher zu erfassen. Zudem lassen sich Ergebnisse aus Trockenstress-Experimenten in Gewächshäusern häufig nicht auf die Bedingungen im offenen Feld übertragen. Rod Snowdon leitet die Abteilung für Pflanzenzüchtung an der Universität Gießen und beleuchtet in einem Artikel für Trends in Plant Science genau diese Problematik. Er gibt Hinweise darauf, wie sich Experimente so gestalten lassen, dass die Ergebnisse möglichst aussagekräftig sind.

Den größten Einfluss hat seiner Meinung nach die Größe des Pflanzgefäßes. Ein zu kleines Gefäß, das wissen auch Balkongärtner, lässt den Wurzeln nicht genug Platz zum Wachsen, erhöht die Bodentemperatur und verursacht große Schwankungen in der Bodenfeuchte. Statt vieler kleiner Töpfe sei es daher besser, wenige große Gefäße mit mehreren Pflanzen zu bepflanzen. Solche großen Pflanzgefäße verhindern jedoch, exakte Daten über Transpiration und Wassernutzungseffizienz jeder einzelnen Pflanze zu ermitteln.

Wiegen und Scannen

Meist werden diese Variablen durch ein einfaches Wiegen der Töpfe ermittelt. Doch ein Gewichtsunterschied kann unterschiedliche Ursachen haben. Wasserverdunstung ist eine, neu gebildete Biomasse eine andere. Wichtig ist daher, diese Messmethode mit bildgebenden Verfahren zu kombinieren. Idealerweise mit solchen, die auch die Wurzelbiomasse exakt erfassen.

Die Forschung zur Trockenstresstoleranz von Pflanzen ist ein weites Feld, auf dem noch viele Fragen unbeantwortet sind. Doch die Dringlichkeit steigt mit jedem Tag. Wir sehen trockenen Zeiten entgegen – wir sollten uns jetzt schnellstens auf sie vorbereiten.

Quellen:

• De Vries, F.T. et al. (2020): Harnessing rhizosphere microbiomes for drought-resilient crop production. In: Science, (17. April 2020), doi: 10.1126/science.aaz5192
• Gupta, A. et al. (2020): The physiology of plant responses to drought. In: Science, (17. April 2020), doi: 10.1126/science.aaz7614
• Stahl, A. et al. (2020): High-resolution digital phenotyping of water uptake and transpiration efficiency. In: Trends in Plant Science, (25. Februar 2020), doi: 10.1016/j.tplants.2020.02.001

Zum Weiterlesen:

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Titelbild: Wir leben in trockenen Zeiten. Pflanzenforscher versuchen, Pflanzen zu züchten, die besser mit Trockenheit umgehen können. (Bildquelle: © Couleur/Pixabay/CC0)