Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Kiel haben experimentelle Belege dafür vorgelegt, dass eine Verringerung der Pflanzenartenvielfalt die chemischen Signale von Pflanzen sowohl in ganzen Gemeinschaften als auch bei einzelnen Pflanzen verändert. Der Verlust der Pflanzenvielfalt hat Auswirkungen auf die von Pflanzengemeinschaften abgegebenen Duftsignale – mit potenziellen Folgen für deren Wechselwirkungen mit anderen Lebewesen.

Auf den Punkt gebracht:

• Je mehr Pflanzenarten in einer Gemeinschaft wachsen, desto komplexer werden die Duftsignale.
• Diese Veränderung wirkt nicht nur auf die Gesamtgemeinschaft, sondern beeinflusst auch die chemischen Signale einzelner Pflanzen – wie des Spitzwegerichs – indirekt über die Duftsignale ihrer Nachbarn.
• Die chemische Kommunikation von Pflanzen besteht nicht aus Einzelgesprächen, vielmehr ist sie Teil eines komplexen Kommunikationsnetzwerks – das durch Artenverlust gestört werden kann.
• Der Verlust der Biodiversität beeinträchtigt die chemischen Signalsysteme in Ökosystemen.

Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Kiel haben experimentelle Belege dafür vorgelegt, dass eine Verringerung der Pflanzenartenvielfalt die chemischen Signale von Pflanzen sowohl in ganzen Gemeinschaften als auch bei einzelnen Pflanzen verändert. In Feldversuchen auf Grasland, die verschiedene Grade der Pflanzenvielfalt abdeckten, zeigte sich, dass Pflanzengemeinschaften mit einer größeren Vielfalt an Pflanzenarten reichhaltigere und komplexere Geruchssignale aussenden.

Nimmt die Vielfalt ab, verändern sich diese chemischen Signale. Dadurch werden die Interaktionen in der gesamten Gemeinschaft neu gestaltet und einzelne Pflanzen wie beispielsweise der Spitzwegerich werden indirekt durch die von ihren Nachbarn abgegebenen Gerüche beeinflusst. Diese Ergebnisse zeigen, dass Biodiversität mehr als nur Artenreichtum umfasst, da sie die unsichtbaren chemischen Kommunikationsnetzwerke innerhalb von Ökosystemen steuert. Der Verlust der Biodiversität kann diese natürlichen Signalsysteme stören.

Biodiversität steuert Duftsignale in Pflanzengemeinschaften

Pflanzen kommunizieren mit anderen Lebewesen, indem sie flüchtige organische Verbindungen über Blüten, Blätter oder Wurzeln an ihre Umwelt abgeben. Diese Signalmoleküle dienen nicht nur dazu, Bestäuber anzulocken oder Fressfeinde abzuwehren, sondern die Pflanzen kommunizieren auch miteinander. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Sybille Unsicker am Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena und der Universität Kiel ist nun der Frage nachgegangen, welchen Einfluss die pflanzliche Artenvielfalt in Pflanzengemeinschaften auf die chemische Kommunikation einzelner Pflanzen hat.

„Wenn wir verstehen, ob und wie chemische Signale von Pflanzen durch die Pflanzenvielfalt in der Umgebung verändert werden, hilft uns das, den Verlust der biologischen Vielfalt nicht nur als Verlust von Arten, sondern auch als Veränderung der chemischen Kommunikation in Ökosystemen zu betrachten,“ sagt Sybille Unsicker, die am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie die Projektgruppe „Pflanze-Umwelt-Interaktionen“ (https://www.ice.mpg.de/218452/chemical-ecology-in-poplar) leitete und mittlerweile als Professorin am Botanischen Institut der Universität Kiel forscht.

Freilandexperimente mit Spitzwegerich-Pflanzen im Jena-Experiment

Das Forschungsteam konzentrierte sich bei den Untersuchungen auf den Spitzwegerich (Plantago lanceolata), da seine ökologischen Wechselwirkungen bereits gut erforscht sind. Er ist eine der wichtigsten Forschungspflanzen im „Jena Experiment“ (https://the-jena-experiment.de/), in dessen Rahmen die Untersuchungen stattfanden.

„In unseren Experimenten wollten wir mehr als nur eine oder zwei Nachbarpflanzen einbeziehen, wie es unter Labor- oder Gewächshausbedingungen üblich ist. In natürlichen Ökosystemen leben Pflanzen in vielfältigen Gemeinschaften zusammen und stehen in Wechselwirkung mit zahlreichen anderen Pflanzen, Insekten und Mikroorganismen. Das Jena-Experiment bot die idealen Bedingungen für unsere Untersuchungen,“ sagt Erstautorin Pamela Medina van Berkum.

Bei Experimenten im Freiland besteht die größte Herausforderung darin, die flüchtigen Verbindungen, die von Pflanzen abgegeben werden, zu messen. Daher war die Entwicklung und Anpassung einer Methode zu Messung von Pflanzendüften im Freiland von zentraler Bedeutung. „Wir haben ein System entwickelt, das diese Düfte auf Gemeinschaftsebene mit einem transparenten Kasten einfängt. Dieser wird über die Vegetation gelegt, um die Düfte zu konzentrieren. Auf der Ebene der einzelnen Pflanzen gingen wir ähnlich vor, umschlossen die Pflanzen jedoch separat mit kleinen transparenten Plastikbeuteln,“ erläutert Pamela Medina van Berkum. Mit Hilfe von modernsten Analysemethoden konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anschließend die verschiedenen chemischen Verbindungen identifizieren und ihre Menge messen.

Vielfältige Pflanzengemeinschaften senden komplexere chemische Signale aus

Die Forschenden fanden heraus, dass die chemischen Signale umso komplexer sind, je vielfältiger die Pflanzengemeinschaft ist. Eine hohe Artenvielfalt führt demnach zur Freisetzung von mehr flüchtigen Verbindungen und einer größeren Vielfalt an Geruchsmolekülen. Diese Veränderung betraf sowohl einzelne Pflanzen als auch die gesamte Pflanzengemeinschaft in den Experimenten. So wurden die chemischen Signale eines einzelnen Spitzwegerichs (Plantago lanceolata) indirekt durch benachbarte Pflanzen verändert. Somit beeinflussten die von den umgebenden Pflanzen abgegebenen Düfte die Kommunikation einzelner Spitzwegerich-Pflanzen.

Störung unsichtbarer Kommunikationsnetzwerke

Die Identität und Vielfalt benachbarter Pflanzen hat einen Einfluss darauf, wie Pflanzen chemische Signale senden und empfangen. Veränderungen der Duftprofile haben Konsequenzen, denn Duftstoffe sind für die Kommunikation von Pflanzen mit Insekten, Mikroorganismen und untereinander von großer Bedeutung.

„Die Pflanzenvielfalt hat daher direkte Auswirkung auf die Koevolution von Arten, die Stabilität eines Ökosystems sowie auf den Naturschutz. Der Verlust der Biodiversität kann nicht nur sichtbare Wechselwirkungen zwischen den Arten, sondern auch die unsichtbaren Kommunikationsnetzwerke von Pflanzen stören,“ warnt Sybille Unsicker. Die Erhöhung der Artenvielfalt durch nachhaltige Landwirtschaft, wie z. B. Blumenstreifen, Diversifizierung der Nutzpflanzen und Verzicht auf Herbizide, könnte zur Wiederherstellung dieser natürlichen Signalsysteme beitragen. Dies würde auch die natürliche Abwehr der Pflanzen und die Anlockung von Bestäubern verbessern.

Pflanzenvielfalt prägt die chemische Kommunikation in Ökosystemen

Die Forschenden um Sybille Unsicker möchten mittels weiterer Experiment noch besser verstehen, wie sich Veränderungen in der chemischen Kommunikation, die sich aus der Zusammensetzung der Artengemeinschaft ergeben, auf die Funktionsweise von Ökosystemen auswirken. So wollen sie herausfinden, wie sich Biodiversität auf die Wechselwirkungen von Pflanzen mit anderen Lebewesen auswirkt, zum Beispiel im Hinblick auf die Anziehungsmuster von Insekten. Die aktuelle Studie hebt die bemerkenswerte Vielfalt flüchtiger Verbindungen hervor, insbesondere in artenreichen Graslandschaften. Ihre ökologische Bedeutung ist jedoch noch weitgehend unverstanden. Diese Lücke zu schließen, ist das Ziel des Forschungsteams.