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WIE KARTOFFELN DEM KLIMAWANDEL TROTZEN KÖNNEN

6. August 2019 Almut Otto

Ob als Pell-, Salz- oder Bratkartoffel, verarbeitet zu Pommes oder als Chips – Wir Deutschen mögen sie, die Kartoffel. Etwa 60 Kilogramm ist der durchschnittliche Pro-Kopfverbrauch per Jahr in unserem Land. Auch weltweit gehört die Kartoffel neben Mais, Reis, Weizen und Maniok zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln. Und bis jetzt gab es auch immer genügend Nachschub, so dass wir uns keine Sorgen um die schmackhafte Knolle machen mussten.

KARTOFFELN MÖGEN KEINE WÄRME

Doch was zukünftig definitiv zum Thema werden könnte: Kartoffeln mögen während des Wachstums keine Wärme. Sind die Temperaturen zu hoch, bildet die Pflanze deutlich weniger oder mitunter gar keine Knollen mehr. Biochemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) schauten sich dieses Phänomen nun genauer an. Sie setzten in ihren Laboren die Kartoffelpflanzen tagsüber Temperaturen von bis zu 29 Grad und nachts Temperaturen

Team Prof. Dr. Sonnewald ©FAU/Rabih Mehdi

von etwa 27 Grad aus. Und schon schaltete die Pflanze sozusagen auf ein anderes Wachstumsprogramm um: Sie bildete mehr grüne Triebe und Blätter, aber weniger bis keine Knollen mehr. Hinzu kam: Die wenigen Knollen hatten einen geringeren Stärkegehalt und keimten schneller – sie waren also weniger nahrhaft und verdarben rascher.

GRUND IST EINE KLEINE RIBONUKLEINSÄURE

Zudem erforschten die Nürnberger Wissenschaftler woran es liegt:

Bisher war der Mechanismus, der die Knollenbildung bei Hitze verhindert, nicht bekannt“, erklärt Prof. Dr. Uwe Sonnewald, Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie.

Die höchsten Erträge von Kartoffeln lassen sich bei gemäßigten Temperaturen erzielen – ideal für die Knollenbildung sind rund 21 Grad Celsius tagsüber und 18 Grad nachts. Bei diesen Temperaturen und der richtigen Tageslänge wird in den Blättern ein knolleninduzierendes Eiweiß mit dem Namen SELF-PRUNING 6A (SP6A) gebildet. Dieses signalisiert der Pflanze, Knollen zu bilden, um auf Kälteperioden vorbereitet zu sein. Bei niedrigeren Temperaturen ist sie inaktiv. Steigen die Temperaturen jedoch an, blockiert sie die Bildung von SP6A und damit das Knollenwachstum.

Gemeinsam mit seinem Forschungsteam hat Sonneberg nun eine kleine Ribonukleinsäure (RNA) ausgemacht, die aus etwa 19 Nukleotiden (Bausteine von Nukleinsäure) besteht und die die Knollenbildung temperaturabhängig reguliert.

AUSSCHALTUNG DER RNA GELUNGEN

Den Wissenschaftlern ist es in einem nächsten Schritt gelungen, diese kleine RNA auszuschalten. Wieder setzten sie ihre Kartoffelpflanzen hohen Temperaturen im Gewächshaus aus. Das Ergebnis: Auch bei mehr als 29 Grad bzw. 27 Grad entstanden weiterhin Knollen von guter Qualität.

Unsere Ergebnisse bieten die Chance, dass wir auch in Zukunft bei steigenden Temperaturen noch Kartoffeln anbauen können“, freut sich Sonnewald.

Als nächstes wollen die Forscher die Kartoffelpflanzen unter Feldbedingungen testen und prüfen, ob die Pflanzen auch unter realen Bedingungen der Hitze trotzen werden. Doch schon jetzt ist das Ergebnis angesichts des Klimawandels ein wichtiger Beitrag, um Ernteerträge auch in Zukunft zu sichern. Die Forschungsarbeit wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht.

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KLIMAWANDEL BEDROHT ÜBERLEBEN DER DELFINE

15. Juli 2019 Almut Otto

Shark Bay in Westaustralien Anfang 2011: Eine Hitzewelle lässt die Wassertemperaturen um mehr als 4 Grad über den langjährigen Durchschnitt steigen. Als Folge der langanhaltenden Hitzeperiode sterben zunächst große Teile der Seegraswiesen. Auch die Fischbestände in dem zum UNESCO-Weltkulturerbe zählenden Küstengebiet reduzieren sich auffällig. Forscherinnen und Forscher der Universität Zürich (UZH) stellten nun fest, dass sich diese Umweltschädigung auch auf das Überleben und die Fortpflanzung von Delfinen auswirkte. So brachten die Delfine in Westaustralien nach der Hitzewelle im Meer deutlich weniger Junge zur Welt als in den Jahren zuvor.

NEGATIVER EINFLUSS DER HITZEWELLE BEISPIELLOS

Die Wissenschaftler nutzten für ihre Untersuchungen Langzeitdaten von über Hundert Tieren aus den Jahren 2007 bis 2017. Ihr Ergebnis ist alarmierend: Die Überlebensrate der Delfine sank nach der Hitzewelle 2011 um 12 Prozent. Zudem hatten die Delfinweibchen weniger Kälber — ein Phänomen, das bis 2017 anhielt.

Das Ausmaß des negativen Einflusses der Hitzewelle hat uns überrascht“

…, so Sonja Wild, ehemalige Doktorandin an der Universität Leeds und Erstautorin der Studie. „Äußerst ungewöhnlich ist insbesondere, dass sich der Fortpflanzungserfolg der Weibchen selbst nach sechs Jahren noch nicht normalisiert hatte.“ Für den geringeren Fortpflanzungserfolg gibt es mehrere mögliche Erklärungen, die die Forscher im Detail jedoch nicht untersuchten. So könnten eine Vernachlässigung der Kälber, eine erhöhte Neugeborenensterblichkeit oder eine Verzögerung der Geschlechtsreife aufgrund der Hitzewelle eine Ursache dafür sein.

NICHT ALLE DELFINGRUPPEN GLEICH BETROFFEN

Interessanterweise wirkte sich die Hitzewelle nicht auf alle Delfingruppen gleich aus. So waren Delfine, die Schwämme als Werkzeuge benutzen – eine Technik die kulturell erlernt ist und Delfinen hilft, Nahrung in tieferen Gewässern zu finden –, nicht so stark betroffen, wie Tiere, die diese Technik nicht beherrschen. „Wir gehen jedoch davon aus, dass diese plötzlichen Klimaereignisse auf lange Sicht sogar bei Tiergruppen, die sich neuen Umweltbedingungen normalerweise relativ gut anpassen, äußerst negative Auswirkungen haben können“, so Wild.

PROBLEMATISCH FÜR DAS GANZE MEERES-ÖKOSYSTEM

Die Forschenden der UZH zeigen in ihrer Studie zum ersten Mal, dass marine Hitzewellen nicht nur niedrigstehende Tiere innerhalb von Nahrungsketten bedrohen, sondern auch erhebliche Langzeitkonsequenzen für Tiere an der Spitze haben.

Marine Hitzewellen werden aufgrund des Klimawandels in Zukunft gehäuft auftreten“, so Studienleiter Michael Krützen, Professor am Anthropologischen Institut der UZH. „Dies ist nicht nur problematisch für die langfristige Perspektive von Delfinpopulation[en], sondern für die gesamten Ökosysteme des Meeres.“

Die Studie wurde aus Mitteln der Schweizerischen Nationalfonds, der National Geographic Society, der SeaWorld Research and Rescue Stiftung, der W.V. Scott Stiftung sowie der A.H. Schultz Stiftung gefördert.

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ANTARKTIS: HIER SOLLTE EIS SEIN!

9. April 2019 Almut Otto

King George Island ist mit 1260 Quadratkilometern Fläche die Größte der Südlichen Shetland Inseln. Auf ihr sind schon seit Jahrzehnten internationale Forschungsstationen angesiedelt. Deutsche Ökologen beobachten mittlerweile genau vierzig Jahre die Veränderungen in der Tier- und Pflanzenwelt als Folge des Klimawandels. Diese sind hier deutlich zu sehen:

Die Antarktis wird in dieser Region von Jahr zu Jahr grüner…“

…, beschreibt Christina Braun vom Institut für Ökologie und Evolution der Friedrich-Schiller-Universität Jena die Situation vor Ort. Gerade kam Sie mit einem vierköpfigen Forschungsteam und einer umfangreichen ökologischen Datensammlung aus der Antarktis zurück.

Die Wissenschaftler beobachteten, dass die heimische Grasart „Deschampsia antarctica“ durch den Rückzug von Gletschern und längere eisfreie Perioden immer größere Gebiete einnimmt. Sie scheint sich sogar rasant auszubreiten.

VERÄNDERUNG LÜCKENLOS DOKUMENTIERT

Unter Leitung von Dr. Hans-Ulrich Peter starteten Braun und zwei weitere Kollegen der Universität Jena im November 2018, also im antarktischen Sommer, für mehrere Wochen ihre Expedition auf die Forschungsinsel. Ihr Ziel war die Untersuchung der antarktischen Tier- und Pflanzenwelt rund um die russische Forschungsstation Bellingshausen. Denn Peter sowie einige seiner Kollegen dokumentieren seit 1979 nahezu lückenlos die klimabedingten Veränderungen des Ökosystems in der Region.

Langzeitmonitoring: In diesem Jahr dokumentierten Alina Kessel und Martin Senf von der Uni Jena die Anzahl der Brutpaare, die Verbreitung von Brutplätzen und den Bruterfolg von Pinguinen © Christina Braun/FSU

Die aktuellen Untersuchungen laufen im Rahmen eines vom Bundesumweltamt geförderten Forschungsprojekts. Sie erfassen neben den Veränderungen in der Vegetation der Antarktis vor allem auch Daten zu Seevögeln und Robben. Insbesondere Riesensturmvögel, Skuas und Pinguine, Weddellrobben und Seeelefanten stehen dabei in ihrem Fokus. „Wir dokumentieren in einem jeweils definierten Gebiet zum Beispiel die Anzahl von Brutpaaren, die Verbreitung von Brutplätzen und den Bruterfolg von Seevögeln“, erläutert Braun die Feldarbeit. „Aus diesen Datensätzen lassen sich über die Jahre Veränderungen ablesen und so der Zustand des Ökosystems beurteilen.“

Das über die Jahrzehnte gewachsene, umfassende Datenarchiv der Jenaer Forscher ist immens wichtig. Denn, so Braun:

Es gibt international kaum vergleichbare Monitorings für diese Region, die einen so langen Zeitraum abdecken.“

Auch wenn die Auswertung der von der diesjährigen Expedition mitgebrachten Daten erst jetzt beginnt, zeichnen sich einige Entwicklungen bereits ab. So nehmen nicht nur Gräser und andere Pflanzen die von Gletschereis freigegebenen Flächen in Besitz. Auch Tiere, wie Skuas, Möwen und Seeschwalben, besiedeln die neuen Gebiete sehr rasch.

MÜLLMONITORING ALS NEUEN FORSCHUNGSASPEKT

Zudem sticht den Wissenschaftlern noch ein weiteres Problem immer deutlicher ins Auge: Die vom Meer angespülten, jährlich wachsenden Müllberge. Und hier machen ihnen insbesondere die großen Mengen an Plastik beziehungsweise Kunststoff Sorge. So sammeln sich ausgediente Bojen und Netze, Flaschen, Folien und Styropor an den Stränden. Das Schlimme daran ist: Kleinere Plastikteile werden von Sturmschwalben und anderen Seevögeln gefressen. Auch geben sie diese an ihre Küken und Jungtiere weiter. Dem wachsenden Müllproblem nehmen sich die Jenaer Ökologen zunächst einmal auf ihre Weise an: Sie kartieren seit diesem Jahr nicht nur die Flora und Fauna, sondern auch Plastik-Strandgut und anderen Müll der Antarktis.

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FORSCHUNG: AUSWIRKUNG VON KLIMAWANDEL AUF DEN AUFTRIEB VON TIEFENWASSER

22. Februar 2019 Almut Otto

Auftriebsgebiete gelten mit ihrem nährstoffreichen Tiefenwasser als Produktionsstätten der Ozeane. Doch das könnte sich ändern: die Auswirkungen des Klimawandels und damit einhergehend die Verschiebung der Windsysteme sowie die allmähliche Erwärmung der Meere auf Auftriebsgebiete ist noch unklar. Gerade an den östlichen Rändern des Atlantiks und Pazifiks sorgt das Aufsteigen von nährstoffreichem Tiefenwasser für besonders hohe, biologische Produktivität. Die Gebiete weisen dadurch nicht nur eine große Artenvielfalt auf, sondern liefern auch 20 Prozent der weltweiten Fischereierträge. Sie haben somit ‒ auch wenn sie nur knapp zwei Prozent der Fläche der Ozeane einnehmen ‒ eine enorme Bedeutung für die Gesellschaft und Wirtschaft der angrenzenden Länder sowie auch für die gesamte Welternährung.

BENGUELASTROM, KANARENSTROM SOWIE HUMBOLDTSTROM IM FOKUS

Grund genug also, der Frage nachzugehen, ob die Auftriebsgebiete diese Funktion noch erfüllen können, wenn sich die Ozeane weiter erwärmen, sie saurer werden, weiter Sauerstoff verlieren und sich möglicherweise Windsysteme über den Meeren ändern. Unter der Gesamtkoordination des Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel sind nun drei Forschungsprojekte mit dem Thema „Bedeutung von Klimaänderungen in küstennahen Auftriebsgebieten“ gestartet. Erforscht wird im Südostatlantik der Benguelastrom, im Nordostatlantik der Kanarenstrom und im Südostpazifik der Humboldtstrom. All diese Gebiete liegen im Bereich von großen, parallel zur Küste verlaufenden Meeresströmungen. Passatwinde treiben dabei die Wassermassen jeweils Richtung Äquator. Und die Erdrotation sorgt dafür, dass sich oberflächennahes Wasser von der Küste fortbewegt, was wiederum kaltes, nährstoffreiches Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche zieht. Die biologische Produktion wird somit angetrieben.

Auftreibesgebiete der nördlichen Hemisphäre — Die Küstenauftriebsgebiete liegen im Bereich von großen, parallel zur Küste verlaufenden Meeresströmungen ©Vorlage NDAA/Bearbeitung GEOMAR

DIE ROLLE VON WIRBELN VERSTEHEN

Das Forschungsprojekt des Kanarenstroms heißt REEBUS. Es soll die Rolle von Wirbeln für die Kohlenstoffpumpe in Küstenauftriebsgebieten untersuchen. „Es basiert auf der Beobachtung, dass ozeanische Wirbel eine zentrale Rolle für die physikalischen, biogeochemischen und biologischen Eigenschaften von Küstenauftriebsgebieten spielen“, erklärt Prof. Dr. Arne Körtzinger, REEBUS-Koordinator von Geomar. Im Rahmen des Projekts wollen die Forscherinnen und Forscher Wirbel mit einem neuartigen, vielschichtigen Beobachtungsansatz sowie mit Hilfe von Prozessmodellen besser verstehen. Dabei greift das REEBUS-Team auf Vorarbeiten des Kieler Sonderforschungsbereichs 754 zurück. Dem Team steht auf den kapverdischen Inseln mit dem Ocean Science Centre Mindelo ein moderner Stützpunkt für die geplanten Feldarbeiten vor Westafrika zur Verfügung.

REAKTION VON ÖKOSYSTEM AUF GEÄNDERTEN AUFTRIEB

Am Humboldtstrom geht es unter dem Namen CUSCO (Coastal Upwelling System in a Changing Ocean) darum, im Auftriebsgebiet vor Peru die Reaktion des Ökosystem zu erforschen. „Zwar ist es das produktivste aller Küstenauftriebsgebiete,“ so Professor Dr. Ulf Riebesell, der neben der Gesamtkoordination auch die Verantwortung für CUSCO innehat, „es ist aber völlig unklar, wie die biologische Produktivität mit der Intensität des Auftriebs zusammenhängt. Wir wollen besser verstehen, wie dieses hochproduktive Ökosystem reagiert, wenn sich der Auftrieb bedingt durch den Klimawandel verändert“. CUSCO stützt sich im Wesentlichen auf eine Expedition mit dem deutschen Forschungsschiff MARIA S. MERIAN, die bereits seit Dezember vor der Küste Perus durchgeführt wird. Ein weiterer wichtiger Baustein ist ein Experiment mit der Kieler Offshore-Mesokosmen-Versuchsanlage KOSMOS in den Küstengewässern Perus. Dieses soll von Februar bis April 2020 stattfinden. Hinzu kommen Computersimulationen auf verschiedenen Skalen von speziell angepassten Ökosystem-Modellen bis hin zu regionalen Simulationen der physikalischen und biogeochemischen Prozesse.

FÖRDERUNG DURCH BUNDESFORSCHUNGSMINISTERIUM

Gemeinsam mit REEBUS und CUSCO startet das von Prof. Dr. Heide Schulz-Vogt vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde (IOW) koordinierte Projekt EVAR (Effekt von Variation in der Auftriebsintensität auf die Bedingungen im Ökosystem), das sich vor allem auf Untersuchungen im Auftriebssystem des Benguela-Stroms konzentriert und in das ebenfalls Wissenschaftler vom GEOMAR eingebunden sind. Die drei Verbundprojekte im Nordost- und Südostatlantik sowie im Südostpazifik werden in den kommenden drei Jahren vom Bundesforschungsministerium mit insgesamt 8,7 Millionen Euro unterstützt. „Es geht darum, die Empfindlichkeit dieser Gebiete gegenüber dem Klimawandel besser zu verstehen, um mögliche Folgen frühzeitig zu erkennen“, fasst Riebesell das Ziel der drei Projekte zusammen. Bleibt zu hoffen, dass nicht nur mögliche Folgen frühzeitig erkannt werden, sondern auch Gegenmaßnahmen – und zwar von allen Ländern der Welt – getroffen werden.

Dieser Artikel erschien am 12.1.2019 in der Innovation Origins.

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