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FORSCHUNG/1124: Wie man Bäume zum Sprechen bringt (UFZ-Newsletter)


Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
UFZ-Newsletter Dezember 2014

Der Baum der Götter
Wie man Bäume zum Sprechen bringt

Von Kerstin Viering



Stolz, stark und durch nichts zu erschüttern - Eichen gelten als Symbole für Widerstandskraft und langes Leben. Aber stimmt dieses Bild? Können die Bäume, um die sich so viele alte Sagen und Geschichten ranken, auch dem Klimawandel trotzen? Und was wird aus all den anderen Arten, die mit ihnen zusammenleben? Im komplexen Netzwerk aus Eichen und ihren Mitbewohnern suchen UFZ-Forscher nach Antworten.


Wie man Bäume zum Sprechen bringt

Wer den Eichen zuhört, kann jede Menge Interessantes erfahren. Davon waren schon die alten Griechen überzeugt. Im antiken Heiligtum Donner sollen die Priesterinnen im Rauschen des Eichenlaubes die Stimme des Göttervaters Zeus gehört haben - eines der einflussreichsten Orakel der damaligen Zeit. Aus heutiger Sicht mag sich das ein bisschen skurril anhören. Doch die Idee, Bäume als Informationslieferanten zu nutzen, ist keineswegs veraltet. Auf ihr basiert ein Forschungsprojekt namens TrophinOak, in dem Wissenschaftler des UFZ mit Kollegen verschiedener deutscher Universitäten zusammenarbeiten. Das Team um Prof. François Buscot und Dr. Sylvie Herrmann versucht, die Eichen mit modernsten wissenschaftlichen Methoden erneut zum Sprechen zu bringen. Die Wissenschaftler wollen erfahren, wie das Zusammenleben der Eichen mit den verschiedensten anderen Organismen funktioniert und wie diese komplexen Gemeinschaften auf den Wandel des Klimas reagieren.

Diese sehr konkrete Fragestellung ist eingebettet in UFZ-Forschungsschwerpunkte zu Biodiversität, Landnutzung und Ökosystemleistungen. Darin erforschen mehr als 200 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen natur- und sozialwissenschaftlicher Disziplinen, wie Klimawandel, Landnutzungsänderungen, biologische Invasionen und Schadstoffe Artengemeinschaften, Ökosysteme und deren Funktionen beeinflussen und welche Folgen das hat.

Eichen im Labor

Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit steht die Stiel-Eiche Quercus robur. "Für uns ist das eine tolle Modellpflanze und ein hervorragender Indikator für den globalen Wandel, weil sie so ein breites ökologisches Spektrum hat", erklärt François Buscot, der am UFZ das Department Bodenökologie leitet. Schließlich kommt diese Art in fast ganz Europa zwischen Portugal und Finnland vor. Entsprechend vielfältig sind die Böden, Temperaturen und Niederschlagsmengen, mit denen sie zurechtkommen muss. Außerdem findet man an, auf und in Eichen eine so vielfältige Lebensgemeinschaft wie bei kaum einem anderen europäischen Waldbaum. Das Spektrum reicht vom Eichelhäher über blattfressende Insekten bis hin zu einer ganzen Palette von Bakterien und Pilzen im Wurzelbereich.

Ein solches Geflecht von ökologischen Beziehungen aber ist schwer zu durchschauen. Deshalb haben Sylvie Herrmann und ihre Kollegen die Eichen und ihre Partner erst einmal unter kontrollierten Bedingungen im Labor angeschaut. Im Reagenzglas haben sie mit viel Fingerspitzengefühl Stecklinge des Stiel-Eichen-Klons DF 159 aus dem französischen Jura herangezogen. Da sie ein identisches Erbgut besitzen, sollten alle diese Bäume ähnlich auf ihre Umwelt und ihre Mitbewohner reagieren. "Es gibt also keine Streuung der Ergebnisse durch die genetische Vielfalt", erklärt die Biologin. "Deshalb können wir die Daten statistisch besser auswerten und so den verschiedenen Einflüssen auf die Spur kommen."

Wachstum und Ruhe

Im Rahmen von TrophinOak haben die Forscher ihre Laborbäume mit Tieren und Mikroorganismen konfrontiert, die auch im Wald wichtige Partner oder Gegner von Eichen sind. Zu den Gegnern gehören die an den Blättern knabbernden Raupen der Motte Lymantria dispar sowie der Fadenwurm Pratylenchus penetrans und der Springschwanz Protaphorura armata, die im Boden Wurzelhaare, Wurzeln und Pilze fressen. Weitere Kandidaten sind der Eichenmehltau Microsphaera alphitoides als Vertreter der pathogenen Blattpilze und ein gefährlicher pilzähnlicher Wurzelschädling namens Phytophthora quercina. Als Eichen-Unterstützer haben die Forscher schließlich noch den Safrangelben Hautrindenpilz Piloderma croceum und Bakterien der Gattung Streptomyces ausgewählt. Ersterer geht eine enge Lebensgemeinschaft mit den Eichenwurzeln ein, von der beide Partner profitieren. Letztere fördern diese "Ektomykorrhiza" genannte Form der Symbiose. Im Labor konnten die Forscher nun das Zusammenspiel all dieser Organismen mit der Eiche untersuchen.

Interessant ist dabei zum Beispiel, wie sich die Mitbewohner auf die Wachstumsphasen der Bäume einrichten. "Eichen wachsen nicht kontinuierlich während der Vegetationsperiode, sondern in mehreren Schüben", erklärt Sylvie Herrmann. Der erste davon findet im Frühjahr statt, der zweite ist der bekannte Johannistrieb im Juni. Je nach Temperaturen und Niederschlag können die Bäume im weiteren Verlauf des Sommers dann noch einen dritten oder sogar vierten Wachstumsschub nachlegen. In jeder dieser Phasen wachsen abwechselnd mal die Wurzeln und mal der Spross.

Entsprechend muss der Baum seine Ressourcen immer wieder möglichst effektiv verteilen: Wenn die Wurzeln einen Wachstumsschub erleben, ist es schließlich keine gute Idee, die aus dem Boden aufgenommenen Nährstoffe bevorzugt in die Krone zu pumpen. Umgekehrt sollte der Baum die mittels Fotosynthese in den Blättern hergestellten Zucker nicht größtenteils den Stamm hinunterschicken, wenn gerade Sprosswachstum angesagt ist. Und als wäre das noch nicht genug der logistischen Herausforderung, kommen dann auch noch die Raupen, der Mehltau und all die anderen Mitglieder der Lebensgemeinschaft ins Spiel. Was passiert im Wechsel der Wachstumsschübe und Ruhephasen mit diesen Mitbewohnern? Und wie wirken sich diese Prozesse dann wieder auf den Baum aus?

Ressourcen auf der Spur

Um das herauszufinden, untersuchen die Forscher unter anderem, in welchen Phasen die einzelnen Ressourcen wo landen. Dazu nutzen sie die Tatsache, dass es von Kohlenstoff und Stickstoff unterschiedlich schwere Varianten gibt. Diese Isotope werden für Markierungsversuche verwendet. Gemeinsam mit ihren Projektpartnern von der Technischen Universität München haben die UFZ-Mitarbeiter für diese Experimente eine spezielle Plexiglaskammer mit Platz für 160 kleine Eichen entwickelt. Darin können sie den Bäumen Kohlendioxid anbieten, das statt des üblichen Kohlenstoffisotops 12C die schwerere Variante 13C enthält. Das bauen die Pflanzen dann in die bei der Fotosynthese hergestellten Zucker ein, so dass die Wissenschaftler den weiteren Weg dieser Ressource durch die Teile der Pflanze und die damit verbundene Lebensgemeinschaft verfolgen können. Nach dem gleichen Prinzip verwenden die Forscher das Stickstoff-Isotop 15N, um das Schicksal der aus dem Boden aufgenommenen Nährstoffe zu verfolgen. So lässt sich genau beschreiben, was während der verschiedenen Wachstumsphasen funktionell und quantitativ zwischen den Eichen und ihren Mitbewohnern vor sich geht.

Die Forscherkollegen der TU München wollten zum Beispiel wissen, wann der Wurzelschädling Phytophthora quercina den Bäumen besonders zu schaffen macht. Schlägt der Schädling vor allem zu, wenn die Wurzeln einen Wachstumsschub erleben? Dann muss der Baum schließlich seine Ressourcen in den unterirdischen Organen konzentrieren, so dass sich ein Angriff besonders lohnt. Andererseits können gut versorgte Wurzeln womöglich auch mehr Energie in die Schädlingsabwehr investieren. Hat Phytophthora also vielleicht gerade in solchen Situationen schlechte Karten? Die Ergebnisse zeichnen in dieser Detailfrage ein für die Eiche eher ungünstiges Bild.

Offenbar sind ihre Wurzeln gerade während eines Wachstumsschubs am anfälligsten für den Schädling. Allerdings kann so ein Baum durchaus reagieren, wenn in seiner Nähe interessierte Mitbewohner auftauchen. Auch dieser Prozess ist für die Forscher hochinteressant. Denn solche Empfindlichkeitsmechanismen liefern ihnen entscheidende Hinweise, um vor dem Hintergrund des sich ändernden Klimas Eichenbestände besser managen zu können. Nun wollen sie herausfinden, wie die Eichen in solchen Fällen ihr Erbgut regulieren. "Lebewesen nutzen ja nicht ständig sämtliche Erbinformationen", sagt François Buscot. Er vergleicht das Genom gern mit einer riesigen Bibliothek, aus der zu jedem Zeitpunkt nur wenige Bücher gelesen werden. Welche das sind, hängt davon ab, vor welchen Herausforderungen der Organismus gerade steht. Knabbern Raupen an den Eichenblättern? Oder sind die Wurzeln dabei, eine Symbiose mit einem nützlichen Pilz zu etablieren? Je nach Situation schaltet der Baum bestimmte Gene an und andere aus.

Welche Bücher aus der Eichen-Bibliothek gerade gelesen werden, lässt sich mit molekularbiologischen Methoden herausfinden. Dazu muss man allerdings erst einmal wissen, welche Werke diese Bibliothek überhaupt enthält. Und genau da lag für die Forscher ein Problem. Denn bisher ist das Erbgut der Stiel-Eiche nicht vollständig entschlüsselt. "Wir mussten deshalb erst einmal eine Bibliothek von Eichen-Genen erstellen", erklärt François Buscot. Darin haben die Forscher zunächst rund 70.000 Stücke des Erbmaterials DNA mit durchschnittlich 1000 Bausteinen zusammengetragen. Als nächstes konnten sie dann analysieren, welche dieser bekannten Erbinformationen in bestimmten Situationen abgelesen werden. Von aktiven Genen finden sich in der Zelle nämlich Abschriften, die mRNA-Moleküle. Deren Vorkommen verrät, welche Erbinformationen eine Eiche beim Zusammenspiel mit ihren verschiedenen Partnern herauf oder herunter reguliert.

Pilze als Partner

François Buscot und Sylvie Herrmann interessieren sich besonders dafür, was in dieser Hinsicht bei der Bildung einer Mykorrhiza vor sich geht. In solchen Kooperationen liefern Pilze den Baumwurzeln Wasser und Nährstoffe und lassen sich dafür mit Zuckern bezahlen, die der Baum per Fotosynthese in seinen Blättern herstellt. Gerade der Safrangelbe Hautrindenpilz hat sich in den Versuchen der UFZ-Forscher als besonders wertvoller Partner für die Eichen erwiesen. "Diese Art braucht zwar sechs bis acht Wochen, um eine Symbiose mit den Wurzeln zu etablieren", sagt François Buscot. Dafür fördert sie das Wachstum der Eichen aber deutlich stärker als andere Pilze, die sich schneller mit ihren Wurzelpartnern einig werden.

Wie aber reguliert die Eiche ihr Erbgut, wenn sie eine solche Kooperation eingeht? Um das herauszufinden, haben die Forscher die Wurzeln ihrer in vitro herangezogenen Eichen-Stecklinge mit dem Pilz beimpft und dann die RNA-Abschriften analysiert. So konnten sie im Erbgut der Bäume mehr als 3000 Abschnitte identifizieren, in denen die Mykorrhiza die Aktivität der Gene beeinflusst.

Betroffen sind zum Beispiel etliche Erbinformationen, die mit der pflanzlichen Verteidigung zu tun haben. "Wenn der Baum auf einen geeigneten Pilzpartner trifft, erkennt er diesen als Freund", erklärt François Buscot. "Dann werden sehr schnell Gene herunterreguliert, die zur Abwehr von Feinden dienen". So drosselt eine Eiche mit ausgebildeter Mykorrhiza die Produktion des Enzyms Chitinase. Schließlich ist dieses Protein für den Abbau von stickstoffhaltigen Zuckerbausteinen des Chitins zuständig, das bei Pilzen ein wichtiger Bestandteil der Zellwände ist. Dem künftigen Kooperationspartner mit dieser Waffe zu Leibe zu rücken, wäre also ungünstig.

Wenn die Symbiose erst einmal funktioniert, reguliert die Eiche zudem auch eine ganze Reihe von Stoffwechsel-Genen herunter. Schließlich kann sie dann etliche Funktionen an ihren Partner delegieren und so jede Menge Energie sparen. Mit speziellen Proteinen wie Hydrophobinen und Aquaporinen hilft der Pilz dem Baum zum Beispiel bei der Regulation seines Wasserhaushalts.

Zwischen Südfrankreich und Finnland

Im Labor haben die Forscher inzwischen eine ganze Reihe solcher Details entschlüsselt. Wie aber ticken die Eichengemeinschaften im Freiland? Seit vierJahren sind die Forscher daher dabei, ihre DF 159-Eichen entlang eines Klimagradienten in verschiedenen Regionen Europas auszupflanzen. In Südfrankreich und im französischen Jura, in Polen, im Thüringer Wald und in Finnland wachsen ihre Schützlinge schon. Genauso wie nördlich von Leipzig und in der UFZ-Versuchsstation Bad Lauchstädt.

Vergleiche sollen nun zeigen, wie die Bäume und ihre Mitbewohner auf die verschiedenen Böden und Klimabedingungen reagieren. Wie passen sie sich an die jeweiligen Herausforderungen an? Wie verändern sie dabei die Regulation ihrer Gene? Und wann wird ihnen der Stress zu viel, so dass sie Anzeichen von Erschöpfung zeigen? "Wir kennen diese Eichen inzwischen so gut, dass wir mit ihrer Hilfe solche Fragen zum Teil bereits beantworten können", sagt François Buscot. Für ihn und seine Kollegen sind die Stecklinge aus dem Reagenzglas inzwischen keine gewöhnlichen Bäume mehr, sondern "Phytometer" - lebende Messgeräte.

Schon jetzt zeigen die hölzernen Kandidaten auf relativ kleinem Raum deutliche Unterschiede. Die Eichen auf den nährstoffreichen Böden von Bad Lauchstädt sind zum Beispiel deutlich höher, haben senkrechtere Stämme und weniger Verzweigungen als ihre Artgenossen auf den sandigen Böden nördlich von Leipzig. Und obwohl die Eichen an beiden Standorten unterschiedlich gut wachsen, reagieren ihre Bodenlebensgemeinschaften gleichermaßen stark auf Schwankungen der Wurzelexsudate, die mit dem rhythmischen Wachstum des Eichenklons einhergehen. Das ist laut Sylvie Herrmann ein Zeichen dafür, wie prägend das Wachstum der Eichen für die biologische Bodenaktivität ist.

Die Zukunft der Eichen

Gespannt sind die Forscher nun, wie sich ihre Phytometer langfristig entwickeln werden. Denn der Klimawandel wird die Bäume zweifellos vor neue Herausforderungen stellen. Je nach Temperatur und Niederschlag werden sie vielleicht mehr Wachstumsschübe pro Jahr schaffen als derzeit. Vielleicht aber auch weniger. "Möglicherweise werden die Bäume in 50 Jahren auch anders mit Stress umgehen müssen als heute", meint Sylvie Herrmann.

So ein Baum lebt schließlich sehr lange, eine Stieleiche kann durchaus 1000 Jahre alt werden. Über diesen langen Zeitraum und unter extrem variablen Klimabedingungen wird sie sich an neue Gegebenheiten anpassen müssen - und zwar, indem sie nicht ihr Erbgut selbst, sondern dessen Regulation verändert. Ob solche Anpassungen genügen werden, um die gesamte Eichen-Lebensgemeinschaft sicher durch den Klimawandel zu bugsieren, und ob die Eiche andere Baumarten wie die Buche, die viel empfindlicher auf den Klimawandel reagieren, künftig ersetzen wird, soll die Forschung in den nächsten Jahren zeigen. "Die Rahmenbedingungen, die die Helmholtz-Gemeinschaft den Forschern am UFZ dafür bietet, sind exzellent", bestätigt François Buscot. Dazu gehören komplexe Infrastrukturen für den langfristigen Betrieb der Baumphytometer sowie die räumlichen, technischen und personellen Voraussetzungen für die vielen Interaktionsexperimente und Transkriptomanalysen. Diese Basis macht es den UFZ-Wissenschaftlern nicht nur möglich, Fragen der Anpassung an den Klimawandel und der Interaktionsbiodiversität skalenübergreifend zu diskutieren. Sie ist auch attraktiv für Forscher anderer Institutionen: Neben fünf deutschen Universitäten und mehreren Arbeitsgruppen des Deutschen Zentrums für Integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) sind in die Eichenforschung auch das französische Zentrum für Agrarforschung (INRA) sowie Genomzentren aus Frankreich, den USA und China eingebunden.

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DF159: EINE EICHE AUF REISEN

Alles begann vor 35 Jahren in dem kleinen französischen Dorf Fontain, nahe Besançon im Osten Frankreichs. Das Holz der dort wachsenden Eichenbäume war von solch außergewöhnlicher Qualität, dass es seinen Besitzern Rekorderlöse bescherte. Doch was machte die begehrten Eigenschaften dieser Bäume aus? Wie kamen sie zustande, und finden sie sich auch bei ihren Nachkommen wieder? Das interessierte damals einige Wissenschaftler der Station für Holzqualität des INRA Nancy, weshalb sie 1979 im Rahmen eines Forschungsprojekts zahlreiche Eicheln dieser Bäume sammelten und aussäten. Die Optimierung eines Gewebekulturverfahrens machte es Jahre später schließlich möglich, aus den jungen Bäumen genetisch identische Nachkommen zu erzeugen. So wurde im Juli 1986 auch der in vitro Klon des Baumes DF 159 an der Universität Nancy (F) etabliert.

Die junge Biologin Sylvie Herrmann hatte 1990 das Glück, ein Exemplar an die Universität Tübingen (D) übereignet zu bekommen, um Mykorrhiza-PiIzstämme für das Forstamt Stuttgart zu testen. Von da an begleitete DF159 sie zu allen Stationen ihres Forscherinnenlebens: Von Tübingen über Braunschweig (1992) und Jena (1999) nach Leipzig (2002) und schließlich ans UFZ nach Halle (2005). Hier testet sie mit ihrem Team nun u. a. die Auswirkungen des Klimawandels und setzt die Reise der Eiche quer durch Europa fort - 2013 nach Polen, 2014 nach Finnland. Demnächst sollen ihre Eigenschaften sogar in Äthiopien getestet werden. Doch auch den Weg in ihre Heimat, an den Nordrand des französischen Jura, fand sie zurück. 2013 brachte Sylvie Herrmann einige Nachkommen "ihrer" Eiche nach Fontain zurück und machte damit viele Bewohner sehr stolz und glücklich. Ein Nachkomme von DF159 schmückt seitdem auch den Marktplatz der Gemeinde.



UFZ-Ansprechpartner:
Dr. Sylvie Herrmann
Dept. Biozönoseforschung
e-mail: sylvie.herrmann@ufz.de
Prof. Dr. François Buscot
Leiter Dept. Bodenökologie
e-mail: francois.buscot@ufz.de


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

- Seit über 20 Jahren beschäftigen sich die in Frankreich geborenen Forscher Sylvie Herrmann und François Buscot mit der Stieleiche, dem deutschen Symbolbaum. Ihre erfolgreiche Verbreitung über fast ganz Europa verdankt die Eiche u. a. Bodenpilzen, die sich an ihren Wurzeln ansiedeln.

- Ein wichtiger Teil der Forschungsarbeit findet im Labor statt. Hier erzeugen die Wissenschaftler genetisch identische in-vitro-Stecklinge und analysieren, wie diese ihre Gene bei unterschiedlichen Umwelteinflüssen regulieren.

Um zu erfahren, wie die Lebensgemeinschaft der Eiche funktioniert und ob sie für die Herausforderungen gewappnet ist, die der Klimawandel mit sich bringt, haben die Forscher ihre Laborbäume unter anderem mit Tieren und Mikroorganismen konfrontiert, die auch im Wald wichtige Partner oder Gegner der Eiche sind. Zu den Gegnern gehören etwa Raupen, Mehltau oder Gallen. Ein wichtiger Eichen-Unterstützer ist der Safrangelbe Hautrindenpilz Piloderma croceum.

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Quelle:
UFZ-Newsletter Dezember 2014, S. 1 - 5
Herausgeber:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
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Tel.: 0341/235-1269, Fax: 0341/235-450819
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veröffentlicht im Schattenblick zum 20. Januar 2015


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