Warum Pflanzen an trockenen Böden scheitern

Pflanzen brauchen nur Wasser, Licht und Luft, um zu gedeihen. Doch wenn sie das Wasser aus dem Boden bis hoch in ihre Bl?tter bef?rdern, trotzen Pflanzen der Schwerkraft. Diesen erstaunlichen Umstand umschreibt die Wissenschaft mit einem ?negativen Wasserpotential?: eine Art Unterdruck, der es Kr?utern, Str?uchern und B?umen erlaubt, das Wasser aus dem Boden herauszuziehen.

Dennoch saugen Pflanzen nicht st?ndig Wasser aus dem Boden. Seit Jahrzehnten zerbricht sich die Forschung den Kopf, was die Saugkraft der Pflanzen begrenzt. Nun pr?sentiert das Team um Andrea Carminati, Professor f¨¹r Bodenphysik an der ETH Z¨¹rich, in einer Zusammenarbeit mit den Pflanzenphysiologen Tim Brodribb von der University of Tasmania eine verbl¨¹ffend einfache Antwort f¨¹r dieses R?tsel: Wie stark die Pflanzen saugen k?nnen, h?ngt weniger von den Eigenschaften der Pflanzen selbst ab ¨C als von der Art und Weise, wie das Wasser im Boden fliesst. Ihre Erkenntnisse haben die Forschenden soeben in der externe Seite Fachzeitschrift Science ver?ffentlicht.

Kapillarkr?fte in den Bodenporen

Der Grossteil des Wassers im Boden befindet sich in verschieden grossen Poren. Sie ¨¹ben Kapillarkr?fte aus, die das Wasser zur¨¹ckhalten. ?Wir Bodenphysiker haben grosse Fortschritte gemacht bei der Bestimmung des besten Zeitpunkts f¨¹r die Bew?sserung?, sagt Carminati. Wenn das Wasserpotential im Boden einen Schwellenwert von -1,5 Megapascal unterschreitet, sind Pflanzen nicht mehr in der Lage, ausreichend Wasser aufzunehmen. Oder in anderen Worten: ?Wenn der Boden austrocknet, nehmen die Kapillar- und Viskosit?tskr?fte in den Poren zu. Den Pflanzen f?llt es immer schwerer, das Wasser aus dem Boden zu ziehen?, erkl?rt Carminati.

Aber wie nehmen die Pflanzen das Wasserpotential im Boden wahr ¨C und wie passen sie ihren eigenen Unterdruck daran an? F¨¹r Antworten auf diese Fragen hat Carminati die Zusammenarbeit mit Tim Brodribb gesucht. Der Pflanzenphysiologe von der University of Tasmania ist Experte f¨¹r den pflanzlichen Wasserhaushalt. 

Empfindliche Klappen

Auf der Blattunterseite besitzen Pflanzen spezielle Strukturen f¨¹r den Gasaustausch: die sogenannten Spalt?ffnungen, auch Stomata genannt. Das sind kleine Klappen, die sich von den Pflanzen gesteuert ?ffnen und schliessen. ?Stomata sind wahnsinnig empfindlich?, sagt Brodribb. Sind sie offen, kann Kohlendioxid aus der Luft ins Blatt hineinstr?men. Gleichzeitig entweicht Wasser als Dampf in die Atmosph?re.

Wenn eine Pflanze ihre Spalt?ffnungen schliesst, spart sie Wasser ein. So verdurstet sie nicht. Aber bei geschlossenen Stomata muss die Pflanze hungern, weil weniger Kohlendioxid in die Bl?tter gelangt und die Pflanze damit weniger neue Zuckermolek¨¹le herstellen kann: Sie w?chst langsamer. ?Letztlich bestimmt das Verhalten dieser winzigen Klappen, wieviel Kohlenstoff aus der Atmosph?re in die Biomasse von Landpflanzen gelangt?, sagt Brodribb.

Erfolglose Z¨¹chtungsprogramme

Um das Wasser aus den Bodenporen zu saugen, betreibt die Pflanze einen betr?chtlichen Aufwand. So sind etwa die Zellw?nde der R?hren, durch die das Wasser im St?ngel oder Stamm nach oben str?mt, verdickt. ?So halten sie dem negativen Wasserpotential stand und knicken nicht ein?, sagt Brodribb. Weiter oben in den Bl?ttern erzeugen gel?ste Substanzen in den Pflanzenzellen einen osmotischen Druck, der es den Zellen erm?glicht, trotz dem Unterdruck in den benachbarten Gef?ssen prall zu bleiben.

Die Agrarindustrie versuche seit langem, Pflanzen zu z¨¹chten, die mehr Salz in ihren Zellen speichern ¨C in der Hoffnung, dass die Pflanzen dadurch mehr Wasser aus dem Boden aufnehmen k?nnen und besser mit D¨¹rre ausk?men, erz?hlt Brodribb. Obwohl sehr viel Geld in solche Z¨¹chtungsprogramme geflossen sei, h?tten sich die Hoffnungen aber nie verwirklicht. ?Unsere Resultate erkl?ren diesen Misserfolg: Der Flaschenhals liegt nicht in den Pflanzen, sondern im Boden?, sagt Brodribb.

Sich kreuzende Blickwinkel

Carminati betont, wie wichtig die interdisziplin?re Herangehensweise bei ihrem Forschungsvorhaben war. Als Bodenphysiker h?tten er und sein Team den Blick zu Beginn unter die Erde und dann in der Zusammenarbeit mit Brodripp allm?hlich weiter nach oben gerichtet. ?Die Physik der Kapillarit?t bestimmt nicht nur, wie stark sich die Bodenporen entleeren, sondern auch was hoch oben in den Bl?ttern geschieht?, sagt Carminati.

Brodribb hingegen verschob seine Sichtweise in die entgegengesetzte Richtung: Ausgehend von Untersuchungen an Pflanzenzellen rutschte der Fokus immer weiter nach unten ¨C bis ans Ende der Wurzelspitzen. ?Unsere Analyse mit den Modellrechnungen des Wasserpotentials tragen in sehr grundlegender Weise zum Verst?ndnis bei, wie Pflanzen funktionieren?, sagt Brodribb.