Was nicht passt, wird passend gemacht

Lässt sich die Flora noch an den Klimawandel anpassen?

Die zweite Dekade des 21. Jahrhunderts war in Deutschland die wärmste seit Beginn der systematischen Wetteraufzeichnungen im Jahr 1881. Der Temperaturdurchschnitt des Jahres 2020 lag mit 10,4 Grad Celsius um 2,2 Grad über der Referenzperiode von 1961 bis1990. Diese Zahlen des Deutschen Wetterdienstes bestätigen die Erkenntnisse des Weltklimarates: Die menschengemachte, von der Wissenschaft seit Jahrzehnten vorausgesagte Erderwärmung schreitet immer schneller voran.

Pflanzen stehen unter Stress

Was können wir hierzulande tun? Die Forderung nach einem radikalen Umbau der Wohlstandsgesellschaft geht offenbar an der Natur des Menschen vorbei: „Tunica propior pallio est“ – die Tunika ist mir näher als der Mantel, wusste schon der römische Dichter Plautus. Die Bilder der Flutkatastrophe an Ahr und Erft werden – um nur ein Beispiel zu nennen – die dramatische Zunahme spritfressender Wohnmobile nicht verhindern.

Realistisch betrachtet, begegnen wir der Klimakrise mit den Werkzeugen eines Änderungsschneiders, dem das Hemd näher ist als die Hose. Wir handeln anthropozentrisch, zum Vorteil des eigenen Landes, der eigenen Gemeinschaft und unserer selbst. Obwohl das gesamte Ökosystem der einheimischen Flora bedroht ist, werden wir uns vermutlich zunächst auf jene nützlichen Pflanzen konzentrieren, die im Garten, Forst oder auf dem Feld stehen.

Claus Heuvemann, technischer Leiter des Botanischen Gartens Erlangen, ist für die Kontrolle von circa 5000 Bäumen auf dem Gelände der FAU zuständig. „Wir können nicht gegen den Klimawandel anwässern“, sagt er mit Blick auf das ihm zur Verfügung stehende Personal und die technischen Möglichkeiten. Doch selbst wenn es gelänge, die oft auf versiegelter Fläche stehenden Stadtbäume ausreichend mit Wasser zu versorgen, sei noch nicht viel gewonnen.

„Sie sterben nicht an Hitze und Trockenheit alleine, sondern am fortwährenden Stress und dem daraus folgenden Pilz- und Insektenbefall.“ Der Begriff Stress steht dabei in vielen Fällen für komplexe Wechselbeziehungen, die oft noch gar nicht erforscht sind. Dies betrifft nicht nur Baumarten, die an suboptimalen Standorten gepflanzt wurden, sondern selbst die seit tausenden von Jahren an das mitteleuropäische Klima angepasste Rotbuche (Fagus sylvatica). Die Erderwärmung verändert eben zu vieles in zu kurzer Zeit.

Besonders bei ausgewachsenen Rotbuchen beobachtete man in den letzten 25 Jahren verstärkt Krankheitssymptome, obwohl sie aufgrund ihres Alters gut mit Nährstoffen versorgt sein müssten. Ausgehend vom Kronenbereich sterben große Rindenpartien ab, was häufig zu einer Stammfäule und letztlich zum Absterben des Baumes führt. Die Erkrankung wird als Buchenrindennekrose beziehungsweise Buchenkomplexkrankheit beschrieben, an der gleichzeitig oder hintereinander mehrere Umweltfaktoren beteiligt sind. Der sichtbare Befall mit dem Rotbuchen-Rindenkugelpilz (Biscogniauxia nummularia) oder der Buchenwollschildlaus (Cryptococcus fagisuga) spielt dabei offenbar nur eine untergeordnete Rolle.

Bei der Rußrindenkrankheit, die Ahornbäume befällt, ist der Schuldige dagegen leichter auszumachen. Die Infektionskrankheit wird durch die Sporen der Pilzart Cryptostroma corticale ausgelöst. Aber auch in diesem Fall gilt: „Der Pilz ist schon im gesunden Baum, führt aber erst bei Stress zum Ausbruch der Krankheit“, erklärt Heuvemann.

Der geschwächte Ahorn trifft auf einen Pilz, dessen Wachstumsoptimum bei 25 Grad Celsius liegt. Mit jedem Hitzesommer verschlimmern sich die Symptome. Die Rinde bildet Blasen und löst sich vom Stamm, auf dem Millionen von rußschwarzen Sporen sitzen, die durch den Wind verbreitet werden. Die wenige Mikrometer großen Sporen können beim Einatmen auch in die menschliche Lunge gelangen und dort im Extremfall Entzündungen hervorrufen. Daher wird der Pilzbefall auch als Holzfällerkrankheit bezeichnet.

Welcher Baumbestand wird sich zukünftig anbieten?

Phänologische Beobachtungen des Deutschen Wetterdienstes aus den Jahren 1961 bis 2010 belegen, dass der Frühling in Bayern immer früher beginnt. Einige Pflanzen treiben bis zu drei Wochen früher aus. Das hat natürlich auch Auswirkungen auf viele Tierarten. So sind beispielsweise die Raupen einiger Schmetterlingsarten auf Blätter angewiesen, die sich gerade erst entfaltet haben. Schlüpfen die Raupen Wochen später, finden sie kaum noch Nahrung. In der Folge gibt es weniger Schmetterlinge, die Pflanzen bestäuben können und ihrerseits Vögeln und Fledermäusen als Beute dienen.

Weil die ökologischen Zusammenhänge sehr komplex sind, fällt es Gärtnern und Försterinnen schwer, Anpassungsstrategien zu entwickeln, die über das reflexhafte Anpflanzen wärmeliebender Arten hinausgehen. „Eigentlich müssten wir die Auswirkungen erst über Jahrzehnte testen“, sagt Heuvemann. Für das Stadtgebiet wäre die ungarische Eiche (Quercus frainetto), die Flaumeiche (Quercus pubescens) oder die Elsbeere (Sorbus torminalis) geeignet.

Auch die wärmeliebende Hainbuche (Carpinus betulus) wäre ein guter Straßenbaum, sei jedoch empfindlich gegen direkte Sonneneinstrahlung, sagt Heuvemann. Eine Alternative zu den (absterbenden) Kiefern am Uni-Südgelände wäre die Roteiche (Quercus rubra), jedoch keinesfalls als Monokultur. „Ihre klebrigen Blätter haben den Nachteil, dass sie den Waldboden mit ihrem Laub regelrecht ersticken und den Aufwuchs eines artenreichen Mischbestandes verhindern.“

„In jedem Fall müssen wir auf Vielfalt setzen“, sagt der technische Leiter des Botanischen Gartens. Der personelle und finanzielle Aufwand für Neuanpflanzungen steige mit den Temperaturen. „Auch die Kapazitäten der Baumschulen reichen dafür schon jetzt kaum aus. Ein Sämling muss zehn Jahre intensiv gepflegt werden, bis er gepflanzt werden kann.“

Die Zukunft des Wirtschaftsfaktors Wald

Ähnliche Anpassungsprobleme kommen auch auf die Forstwirtschaft zu. „Wie kann man den Wald als Wirtschaftsfaktor erhalten?“, fragt Annette Debel, Doktorandin bei Prof. Dr. Achim Bräuning vom Lehrstuhl für Physische Geografie der FAU. Die Geografin arbeitet im Rahmen des interdisziplinären Verbundprojektes BayTreeNet an der Erforschung der lokalen Auswirkungen von Großwetterlagen auf das Wachstum von forstwirtschaftlich relevanten Baumarten. Weitere Teilprojekte beschäftigen sich mit der Klimamodellierung und der Bildungsarbeit für eine nachhaltige Entwicklung.

Im Walderlebniszentrum Tennenlohe steht einer von elf „Talking Trees“, deren Stammdurchmesser und Saftfluss in Echtzeit gemessen und ins Internet gestellt werden. Schülerinnen und Schüler vergleichen die Werte mit dem aktuellen Wetter, übersetzen die Aussagen ihres „sprechenden Baumes“ in die Alltagssprache und sensibilisieren so Gleichaltrige für die Folgen der Erderwärmung. „Auf diese Weise können Kinder und Jugendliche hautnah erfahren, wie sich der Klimawandel auf eine Waldkiefer auswirkt, die quasi vor ihrer Haustür steht“, sagt Debel.

Die Daten sind nicht immer leicht zu deuten: Mit zunehmender Temperatur verdunstet mehr Wasser an den Spaltöffnungen der Blätter, was zu einem Unterdruck in den Leitungsbahnen des Splintholzes führt. Das wiederum verringert den Stammdurchmesser minimal und erhöht den Transport von Wasser und Nährsalzen Richtung Baumkrone. Das Wasser braucht der Baum für die Fotosynthese, die Energie und Baumaterialien für die Bildung neuer Holzzellen liefert.

Die neuen Holzzellen entstehen in der als Kambium bezeichneten Wachstumszone zwischen Rinde und Splintholz. Im Frühjahr werden dünnwandige Zellen gebildet, die den Wassertransport begünstigen, im Herbst dickwandige, welche dem Holz seine Stabilität verleihen. Um die Wachstumsprozesse innerhalb eines Jahresringes zeitlich besser differenzieren zu können, zieht Annette Debel mit dem Trephor, einem Werkzeug speziell für diesen Zweck, zwei bis drei Zentimeter lange und 1,5 Millimeter dicke Bohrkerne aus der Wachstumszone von Versuchsbäumen, die in der Nähe des Walderlebniszentrums stehen.

Das Ende für Fichte und Kiefer?

Seit 2020 beprobt sie von April bis Ende Oktober alle zwei Wochen fünf Rotbuchen (Fagus sylvatica) und fünf Waldkiefern (Pinus sylvestris). Mitarbeiter der Bayerischen Landesanstalt für Wald- und Forstwirtschaft (LWF) und andere Helfer nehmen Proben an zehn weiteren bayerischen Standorten im Tief- und Hochland. In den höheren Lagen wurde dazu anstelle der Kiefer die Gemeine Fichte (Picea abies) ausgewählt.

Die Mikroholzkerne aller elf Standorte werden im Institut für Geografie der FAU gesammelt. Nach ihrer Einbettung in Paraffin können Dünnschnitte angefertigt werden. Anschließend analysiert Annette Debel unter dem Lichtmikroskop drei Phasen: Zellvergrößerung, Verholzung und ausgereifte Zellen. Da die Wetterdaten aller elf Standorte bekannt sind, lassen sich zeitliche Parallelen zum Holzwachstum ziehen.

„Ein Großteil der Holzzellen wird in zwei bis drei Monaten produziert, wobei vor allem das Frühholz mit den Witterungsbedingungen korreliert“, nennt Debel als vorläufiges Forschungsergebnis. Entscheidend sei nicht allein die Durchschnittstemperatur, sondern vor allem die Verfügbarkeit von Wasser in der Hauptwachstumsphase im Juni und Juli. „In den Tieflagen wird die Fichte nicht mehr überleben, und selbst die Buche wird Probleme bekommen.“ Die Mikrokernanalyse sei gut geeignet, um die kleinräumige Auswirkung des Klimawandels in Bayern zu verstehen. „Wir untersuchen den Ist-Zustand, damit wir prognostizieren können, wie sich bestimmte Großwetterlagen in verschiedenen Gegenden Bayerns auf das Holzwachstum auswirken.“ Um das gesamte Waldökosystem zu verstehen, sei freilich noch sehr viel mehr Forschung nötig.

Ist Gentechnik die Lösung?

Während die Erforschung der Ökosysteme noch in den Kinderschuhen steckt, bietet die grüne Gentechnik bereits Lösungen für die Anpassung von Nutzpflanzen an den Klimawandel. Doch der Anbau transgener Pflanzen ist in Deutschland verboten.

Zwar schützen wir uns mit hochwirksamen mRNA-Impfstoffen (rote Gentechnik) und sehen darüber hinweg, dass genetisch veränderte Mikroorganismen (weiße Gentechnik) Enzyme für die Lebensmittel- und Waschmittelindustrie sowie Hormone wie Insulin herstellen. Doch unsere Nahrung soll ohne Gentechnik erzeugt werden. Warum eigentlich?

Der Mensch verändert Pflanzen schon seit mindestens 10.000 Jahren durch immer effizientere Züchtungen (siehe Kasten). Das Genom der Braugerste wurde so lange radioaktiv bestrahlt, bis sich zufällig eine Mutation einstellte, die die Pflanze gegen den Mehltau-Pilz resistent machte. Auch die Gentechnik erzeugt Mutationen, nur eben sehr viel schneller und zielgerichteter.

„Wenn ich etwas verändere, muss ich nachweisen, dass ich bei Mensch und Umwelt keinen Schaden anrichte, unabhängig von der Technik“, sagt Prof. Dr. Uwe Sonnewald vom Lehrstuhl für Biochemie der FAU, der seit Jahrzehnten im Bereich der Pflanzenzüchtung forscht. Entscheidend sei das Endprodukt. „Es gibt keinen einzigen Fall, bei dem sich eine gentechnisch veränderte Pflanze irgendwo auf der Welt in der freien Natur durchgesetzt hätte.“

Um den globalen Nahrungsmittelbedarf 2050 zu decken, müssten die Erträge von Mais, Reis, Weizen und Sojabohne pro Jahr um 2,4 Prozent steigen, sagt Sonnewald. Davon seien wir noch weit entfernt. „Wir müssen die Nahrungsproduktion erhöhen, entweder durch mehr Dünger, mehr Chemie, mehr Flächenverbrauch oder eben durch die Gentechnik.“ Nicht zuletzt deswegen, weil der Klimawandel vielerorts zu massiven Ertragseinbrüchen führen könne.

Nehmen wir die Kartoffel als Beispiel. Sie pflanzt sich geschlechtlich über Samen und ungeschlechtlich über Knollen fort. In ihrer natürlichen Umgebung, den Hochlagen der Anden, bezieht die Kartoffel die Information zur Blütenbildung durch die Messung der Tageslänge und der Temperatur. „Lange Tage und hohe Temperaturen begünstigen die Blüte im Sommer, wohingegen kurze Tage und sinkende Temperaturen die Knollenbildung im Herbst fördern“, erklärt Uwe Sonnewald. Die in Europa angebauten Kartoffelsorten haben diese Tageslängenabhängigkeit verloren und sind an das bisher vorherrschende Klima angepasst: Sie blühen im Sommer und beginnen kurz danach mit der Anlage von Knollen. Bisher nahm die Umgebungstemperatur in Europa nur wenig Einfluss auf die Knollenbildung. Wenn sie nun aber in Deutschland längere Zeit über 28 Grad Celsius liegt, investiert die Pflanze in die sexuelle Fortpflanzung und unterdrückt die Knollenbildung, sodass die Ernte geringer ausfällt.

Hitzebeständige Kartoffeln

Für die Knollenproduktion ist das Protein SP6A verantwortlich. Registriert die Pflanze anhaltende Hitze, erzeugt sie eine RNA, die die Bildung von SP6A hemmt. An diesem Mechanismus setzt die Arbeitsgruppe von Uwe Sonnewald an. „Wir haben die Pflanzen mit einem ,Fängermolekülʻ ausgestattet, die die kleine regulatorische RNA abfängt und damit SP6A vor dem Abbau schützt.“ Prototypen dieser hitzebeständigen Kartoffel wachsen bereits im Gewächshaus des Instituts – als menschengemachte Antwort auf den menschengemachten Klimawandel.

2022 folgt ein Feldversuch in den USA. „Wenn sich die Gesetzeslage in Europa ändert, könnten die hitzebeständigen Kartoffeln nach strenger Prüfung um 2030 auf den europäischen Markt kommen“, sagt Sonnewald. „Wir betreiben Grundlagenforschung und bieten der Gesellschaft Optionen an, die genutzt werden oder eben nicht.“

Da die rasant voranschreitende Klimaänderung die Anpassung vieler Nutzpflanzen erforderlich macht, wird die Geschwindigkeit herkömmlicher Zuchtmethoden vermutlich nicht mehr ausreichen. Die grüne Gentechnik könnte Abhilfe schaffen. „Es ist ethisch unvertretbar und im höchsten Maße riskant für die Lebensmittelversorgung nachfolgender Generationen, die grüne Gentechnik aus ideologischen Gründen zu verteufeln“, betont Sonnewald.

FAU-Forschungsmagazin friedrich

Dies ist ein Beitrag aus unserem Forschungsmagazin friedrich. Die aktuelle Ausgabe nimmt Sie mit in die Welt der Nachhaltigkeit: Wie können wir eine Welt gestalten, in der wir alle gut leben können – auf sozialer, ökologischer und wirtschaftlicher Ebene?

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