Pflanzen: Wenn ich die „Mutation“ nicht bekomme, werde ich das „Lamm zum Schlachten“ sein …

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Jiri Hulcr (University of Florida), Dong Yiyi (University of Florida)

Hersteller: China Science Expo

Im Jahr 2013 kam es in einer Baumschule in Shanghai zu einem großflächigen Absterben von Amberbäumen. Nach einer Untersuchung stellte sich heraus, dass der Übeltäter eine neue Art war – der Amberbaumbohrer (dù). Dieser Vorfall spiegelt die Tatsache wider, dass Pflanzen mit einer einzigen genetischen Zusammensetzung anfälliger für Schädlinge und Krankheiten sind als Pflanzen mit einer komplexeren genetischen Zusammensetzung.

Liquidambar formosana

(Fotoquelle: The Paper)

Genetische Vielfalt: Schlüssel zur Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber Umweltveränderungen

Genetische Vielfalt ist der Schlüssel zur Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen Schädlinge und Krankheiten und bildet zugleich die Grundlage der Biodiversität. Jeder weiß, dass es auf der Welt keine zwei Menschen gibt, die genau gleich sind. Dies liegt daran, dass die DNA, aus der jeder Mensch besteht, nicht genau gleich ist. Selbst eineiige Zwillinge können nicht genau dasselbe Aussehen haben (in der Biologie allgemein als Phänotyp bezeichnet).

Wir können die Unterschiede in der DNA einfach als genetische Vielfalt verstehen. Unter genetischer Vielfalt versteht man die Unterschiede auf genetischer Ebene zwischen Individuen innerhalb derselben Art (die Unterschiede zwischen Arten werden als Biodiversität bezeichnet). Dieser Unterschied bestimmt die Morphologie, Farbe und Anpassungsfähigkeit der Pflanze an die Umwelt, wie etwa Trockenheitsresistenz, Kälteresistenz, Hitzeresistenz und Krankheits- und Schädlingsresistenz.

Ein hohes Maß an genetischer Vielfalt ermöglicht es verschiedenen Individuen, über unterschiedliche Fähigkeiten zu verfügen, auf die Umwelt zu reagieren. Manche Individuen können die Herausforderungen nicht überleben, andere hingegen schon, was das Überleben und die Fortpflanzung der gesamten Gruppe sichert. Beispielsweise können einige Individuen derselben Kiefernart Dürre besser vertragen als andere oder sind resistenter gegen bestimmte Krankheiten. Ähnliche Phänomene sind beim Menschen weit verbreitet: Manche Menschen verfügen über eine natürliche Resistenz gegen bestimmte Krankheiten wie Malaria, während andere anfälliger für Infektionen sind.

Die genetische Vielfalt der Pflanzen bietet der gesamten Art Schutz vor verschiedenen äußeren Bedrohungen. Eine höhere genetische Vielfalt bedeutet, dass es in der Population Individuen mit unterschiedlichen Resistenzen geben kann, die somit eine stärkere Überlebensfähigkeit der Gruppe gegenüber bestimmten neuen Schädlingen und Krankheiten aufweisen. Als beispielsweise im Süden der USA die Lorbeerwelke (ein Pflanzenpathogen) ausbrach, starben zwar die meisten Lorbeerbäume an der Krankheit, aber einige wenige überlebten. Diese überlebenden Individuen könnten über krankheitsresistente Gene verfügen und die genetische Grundlage für den Wiederaufbau der Population in der Zukunft bilden.

Wenn es in einem Wald mehrere Baumarten gäbe, deren genetische Ausstattung jedoch genau gleich wäre (sie beispielsweise alle vom selben Klon stammen), gäbe es kaum Unterschiede in der Reaktion dieser Arten auf Schädlinge und Krankheiten bzw. in ihrer Widerstandsfähigkeit ihnen gegenüber. Sobald eine Krankheit oder ein Schädling ausbricht, kann dies für die gesamte Art einen verheerenden Schlag bedeuten. Genau hierin liegt die Schlüsselrolle der genetischen Vielfalt innerhalb einer einzelnen Baumart.

Auch wenn in einem Wald mehrere Baumarten vorkommen, müssen wir sicherstellen, dass innerhalb jeder Baumart eine ausreichende genetische Vielfalt vorhanden ist. Nur mit ausreichender genetischer Vielfalt ist es möglich, Individuen mit Widerstandsfähigkeit oder Anpassungsfähigkeit bei Schädlings- und Krankheitsausbrüchen zu erhalten. Diese Individuen werden der Schlüssel zur zukünftigen Erholung der Population sein.

Deshalb muss bei der Aufforstung neben der Anpflanzung von Mischwäldern mit mehreren Baumarten zur Erhöhung der Vielfalt der Waldgesellschaften auch darauf geachtet werden, dass die Samen der einzelnen Bäume aus unterschiedlichen Quellen stammen und die Verwendung ausschließlich klonaler Baumarten oder genetisch monochromatischer Populationen vermieden wird.

Faktoren, die das Auftreten von Schädlingen und Krankheiten begünstigen

Derzeit stehen wir vor einer immer größeren Herausforderung: der Bedrohung durch fremde Schädlinge und Krankheiten. Gleichzeitig erhöht der extreme Klimawandel die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schädlingen und Krankheiten, die wie „unsichtbare Killer“ wirken und die Gesundheit der Pflanzen still und leise bedrohen. Nehmen Sie als Beispiel den Herbst-Heerwurm. Dieser in Nordamerika heimische Schädling kann sich von zahlreichen Nutzpflanzen in China ernähren und diese schädigen, was zum Entlauben oder sogar zum Absterben der Pflanzen führen kann.

Herbst-Heerwurm

(Fotoquelle: Sohu News)

Unvollständigen Statistiken zufolge verursachte der Reisbrand im Jahr 2019 in China Produktionsverluste bei Mais in Höhe von rund 14 Millionen Yuan. Der Reisbrand ist eine der häufigsten Pilzkrankheiten bei Reis und kann auf verschiedenen Wegen übertragen werden, unter anderem über die Luft, Insekten, Regen und den Boden. Zwischen 1975 und 1990 sank die weltweite Reisproduktion aufgrund der Reisbräune um 30 %, was zu einem Verlust von 15,7 Millionen Tonnen Getreide führte. Allein in China gehen jedes Jahr etwa 3 Millionen Tonnen Getreide verloren.

Durch den Klimawandel verursachte Schädlinge wie Weizenblattläuse. Es handelt sich um einen der Hauptschädlinge des Weizens und der Anstieg der globalen Temperaturen in den letzten Jahren hat zu seinem verstärkten Auftreten geführt. Dies führt dazu, dass sich die Gesamtdauer des Auftretens von Weizenblattläusen pro Jahr verlängert, was wiederum zu einer deutlichen Zunahme ihrer Anzahl und zu größeren Schäden führt. ‌

Ein weiterer Grund ist die Verringerung der genetischen Vielfalt der Pflanzen selbst . In Gebieten, in denen große Flächen mit der gleichen Kulturpflanze mit der gleichen genetischen Zusammensetzung angebaut werden (große homogene Plantagen, künstlich angelegte Reinwälder), ist das Problem von Schädlingen und Krankheiten besonders ausgeprägt.

In vielen Gebieten pflanzen die Organisatoren zur einfacheren Bewirtschaftung und Erzielung höherer wirtschaftlicher Vorteile Setzlinge aus einheitlichem Anbau in derselben Gegend an, wodurch die genetische Zusammensetzung aller Pflanzen in der Gegend unverändert bleibt. Diese Plantagen sind wie Lämmer, die zur Schlachtbank geführt werden.

Aufgrund der geringen genetischen Vielfalt sind sie weniger in der Lage, sich an Veränderungen in ihrer Umgebung anzupassen. Angesichts von Umweltbelastungen wie Klimawandel und Bodenerosion kann es sein, dass genetisch homogene Pflanzen allmählich an Bedeutung verlieren, da die genetische Variation nicht ausreicht, um sich an diese Veränderungen anzupassen. Noch wichtiger ist, dass aufgrund genetischer Ähnlichkeiten ein Schädling oder eine Krankheit, sobald er eine Pflanze befällt, wahrscheinlich auch andere Pflanzen in der Plantage befällt, was zu einer schnellen Ausbreitung des Schädlings oder der Krankheit führt.

Allerdings können selbst wilde Baumarten mit großer genetischer Vielfalt Schwierigkeiten haben, sich gegen bestimmte neue invasive Schädlinge zu verteidigen. So können nordamerikanische Eschen beispielsweise trotz ihrer hohen genetischen Vielfalt dem invasiven Asiatischen Eschenprachtkäfer nicht widerstehen. Der Schädling ist in Asien heimisch, wo sich die Eschen gemeinsam mit ihm entwickelt haben und über Abwehrmechanismen gegen ihn verfügen. Allerdings waren nordamerikanische Eschen keinem vergleichbaren evolutionären Selektionsdruck ausgesetzt und verfügen daher über keine Resistenz gegen diesen invasiven Schädling, was zum Tod von zig Millionen Eschen führte. Dieser Fall zeigt, dass eine Art, selbst wenn sie über eine große genetische Vielfalt verfügt, im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte keiner spezifischen biologischen Bedrohung ausgesetzt war, dennoch schwere Verluste erleiden kann, wenn sie mit einer neuen Bedrohung konfrontiert wird.

Zeigt, wie nordamerikanische Amberbäume (Liquidambar spp.) durch den Amberbohrer (Acanthotomicus suncei) beschädigt werden.

(Bildnachweis: Jiri Hulcr)

Wie kann die genetische Vielfalt von Bäumen erhöht werden?

Auch in Zukunft können jederzeit neue Schädlinge und Krankheiten auftreten. Obwohl wir nicht jede Bedrohung genau vorhersagen können, können wir die Fähigkeit der Pflanze, sich selbst zu schützen, verbessern, indem wir die genetische Vielfalt erhöhen. Hier sind einige Strategien, die funktionieren:

1. Genetische Vielfalt hat Priorität: Beim Pflanzenanbau stehen nicht nur der wirtschaftliche Nutzen und die Ertragsmaximierung im Vordergrund. Wir müssen unsere Prioritäten von der Ertragsmaximierung auf die Maximierung der genetischen Vielfalt und Biodiversität verlagern.

2. Sinnvolle Durchforstungsstrategien: Bei der Durchforstung von Wäldern sollten wir versuchen, Individuen mit genetischer Vielfalt zu erhalten, anstatt Pflanzen ausschließlich aufgrund aktueller Bedürfnisse (wie etwa höherer Erträge und Wachstumsraten) wahllos zu entfernen. Dadurch bleiben nicht nur unterschiedliche Phänotypen erhalten, sondern es wird auch der Fortbestand der genetischen Vielfalt der Arten gefördert.

3. Setzen Sie auf offene Bestäubung (Bestäubung durch natürliche Mechanismen wie Insekten, Wind und Vögel): Durch die Reduzierung menschlicher Eingriffe und die Nutzung natürlicher Bestäubungsmechanismen kann die natürliche genetische Variation erhöht werden. Dieser Ansatz kann die natürliche Selektion fördern und die Genvielfalt erhöhen, wodurch die Überlebensrate der Arten verbessert wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Anpassungsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit der gesamten Population zu steigern, ohne auf spezifische Resistenzgene angewiesen zu sein.

4. Änderung der Aufforstungsmethode: In der Vergangenheit wurden bei der Aufforstung nur Pflanzen gepflanzt, die aus wenigen Sorten gezüchtet wurden und deren genetische Basis relativ einheitlich war. Durch das Anpflanzen solcher genetisch homogenen Klone kann die Gesundheit und Widerstandsfähigkeit des Waldes auf lange Sicht möglicherweise nicht wiederhergestellt werden. Möglicherweise ist es einfacher und billiger, den Wald sich aus Samen erholen zu lassen. Wir sollten uns für den Schutz der sich natürlich regenerierenden Setzlinge in unseren Wäldern einsetzen. und bieten bei Bedarf die notwendige Unterstützung, anstatt sich auf genetisch homogene Klone zu verlassen.

5. Anpflanzung von Mischwäldern: Die anhaltend hohen Temperaturen in Europa haben beispielsweise zu schweren Schäden an Fichtenplantagen durch den Buchdruckerkäfer (Ips typographus) geführt. Wir brauchen Mischwälder unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher Arten, die nicht nur die Widerstandsfähigkeit und Belastbarkeit der Wälder erhöhen, sondern auch die langfristige Stabilität und Nachhaltigkeit der Forstwirtschaft sicherstellen.

6. Schwerpunkt auf forstwirtschaftlicher Ausbildung: Aus Profitgier nimmt die Zahl der Schulen mit Schwerpunkt auf forstwirtschaftlicher Ausbildung weltweit ab, was zu einem Rückgang des Angebots an forstwirtschaftlichen Abschlüssen geführt hat. Dies ist insbesondere in den Entwicklungsländern deutlich zu erkennen, wo die Plantagenholzproduktion dominiert. Wir müssen darauf achten, dass das Fachwissen rund um Forstwirtschaft und Waldschutz nicht im Laufe der Zeit an den Rand gedrängt oder vergessen wird.

7. Stärkung des öffentlichen Bewusstseins für genetische Vielfalt: Relevante Bildungsabteilungen und -institutionen können neue Medien und andere Mittel nutzen, um populärwissenschaftliche oder spezielle Vorträge über genetische Vielfalt und den Erhalt der biologischen Vielfalt zu halten, um das öffentliche Bewusstsein für die Bedeutung der genetischen Vielfalt zu stärken.

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