Juli 17, 2022

Wie Hitzewellen eine Pollenkrise verursachen

Viele der Nutzpflanzen, auf die wir als Nahrung angewiesen sind, müssen bestäubt werden, um unsere Nahrung zu produzieren; Aber extreme Hitze kann die Pollen zerstören. Die Zerstörung von Pflanzenpollen durch extreme Hitze ist eines der Probleme der Welt, die mit dem Klimawandel konfrontiert ist. Deshalb suchen Wissenschaftler nach einer Lösung dafür.

Letzten Juni Aaron Flensburg Er spürte den plötzlichen Temperaturanstieg und wusste, welche Folgen das für seine ganze Ernte hatte. Als Farmer in fünfter Generation, dessen frühere Generationen auch in Washington im Nordwesten der USA Landwirtschaft betrieben, hatte Flensburg seinen Raps gepflanzt, als er in den ersten kühlen Sommerwochen blühte. Letztes Jahr jedoch, als sich die Blumen öffneten, erreichte die Temperatur 42 Grad Celsius. „Solche Temperaturen im Juni sind in unserer Region fast unbekannt“, sagt er.

Gelbe Rapsblüten verwelkten und die Vermehrung stoppte, und viele Samen, die zur Herstellung von Rapsöl gepresst werden sollten, bildeten sich nie. Flensburg lieferte etwa 272 bis 363 kg/Acre (4.047 m2). Im vergangenen Jahr erzielte er bei idealen Wetterbedingungen ebenfalls 1.225 kg pro Acre.

Hitze und Dürre hielten während der gesamten Vegetationsperiode an, und wahrscheinlich trugen viele Faktoren zu dieser lang erwarteten Ernte bei; Aber was den Wissenschaftlern erschreckend klar wird, ist, dass Hitze ein Pollenkiller ist. Selbst bei ausreichend Wasser kann die Hitze den Pollen schaden und die Befruchtung von Raps und vielen anderen landwirtschaftlichen Nutzpflanzen wie Mais, Erdnüssen und Reis verhindern; Denn das Ziel vieler Landwirte ist es, ihre Pflanzen zum Blühen zu bringen, bevor die Temperatur steigt.

Da der Klimawandel weltweit die Anzahl der Tage mit Temperaturen über 32 °C erhöht und mehrtägige extreme Hitze häufiger wird, kann dieses Timing problematisch oder manchmal sogar unmöglich sein.

Rapspollen ist temperaturempfindlich; Daher ist es wichtig, die Kultur der Pflanze so zu planen, dass die Blüte an kühleren Tagen stattfindet.

Angesichts einer wärmeren Zukunft suchen Forscher nach Möglichkeiten, Pflanzenpollen dabei zu helfen, die Hitze zu besiegen. Sie entdecken Gene, die helfen können, hitzebeständigere Sorten zu schaffen, und schaffen auch Sorten, die den Winter überleben und blühen können, bevor die Hitze einsetzt. Die Forscher arbeiten an der Feinabstimmung der Pollengrenzwerte und sammeln sogar Pollen in großem Maßstab, um sie bei besserem Wetter direkt auf die Pflanzen zu sprühen.

Ein Großteil unserer Ernährung ist gefährdet. Gloria Moodyein Biochemiker an der Wake Forest University in North Carolina, sagt, dass jeder Samen und jede Frucht, die wir essen, ein direktes Produkt der Bestäubung ist, und einer der kritischen Parameter die maximale Temperatur während der Pflanzenreproduktion ist.

Die Samenbildung beginnt, wenn das Pollenkorn den Staubbeutel des männlichen Fortpflanzungsorgans (Fahne) der Pflanze verlässt und auf der Narbe des weiblichen Fortpflanzungsorgans (Stempel) sitzt und das Wachstum des Pollenschlauchs beginnt. Dieser aus einer einzigen Zelle bestehende Schlauch wächst bis zum Fruchtknoten der Pflanze, wo er das Erbgut des Pollenkorns abgibt.

Laut Mark Westgate, emeritierter Professor für Agronomie an der Iowa State University, ist das Pollenschlauchwachstum eines der schnellsten Beispiele für das Zellwachstum in der Pflanzenwelt. Der Pollenschlauch wächst bis zu einem Zentimeter pro Stunde, was ein sehr schnelles Wachstum ist.

Pflanzenpollen / Pollen

Eine einzelne Zelle aus dem Pollenkörner wächst in Form einer Röhre heran, um das genetische Material an den Eierstock der Pflanze zu liefern; Aber hohe Temperaturen führen dazu, dass die an diesem Prozess beteiligten Proteine ​​​​zerstört werden.

Wachstum mit einer solchen Geschwindigkeit erfordert Energie; Aber laut Westgate beginnen in vielen landwirtschaftlichen Produkten, wenn die Temperatur etwa 32 Grad Celsius erreicht, die Proteine, die den Pollenkornstoffwechsel unterstützen, abzubauen. Tatsächlich hemmt Hitze nicht nur das Wachstum der Pollenschläuche; Es stört auch andere Stadien des Pollenwachstums. Infolgedessen kann sich das Pollenkörn niemals bilden oder auflösen und keinen Pollenschlauch bilden oder einen Pollenschlauch erzeugen, der nicht stabil ist und zerstört wird.

Nicht alle Kultursorten sind gleich hitzeempfindlich. Tatsächlich arbeiten Forscher immer noch an den molekularen Mechanismen, die es dem Pollen einiger Nutzpflanzensorten ermöglichen, zu überleben, während der Pollen anderer Pflanzen zugrunde geht. Beispielsweise ist der Düngungsprozess bei vielen Tomatensorten sehr hitzeempfindlich. Im Jahr 2021 bedeckte diese Ernte 1.109 Quadratkilometer offene Felder in den Vereinigten Staaten.

Randall Patterson, Präsident der North Carolina Tomato Growers Association, sagt, wenn es zu heiß wird, verbrennt der Pollen. Patterson plant seine Tomaten so, dass sie in Nächten mit Temperaturen unter 21°C und an Tagen mit Temperaturen unter 32°C blühen. Normalerweise hat er drei bis fünf Wochen Zeit, wenn die Bedingungen für die Pflanzenvermehrung geeignet sind. „Wenn es wärmer wird und wir mehr Nächte haben, in denen die Temperatur über 21 Grad Celsius liegt, wird diese Gelegenheit verpasst“, sagt er.

Moody untersucht den Pollen einer mutierten Tomatenpflanze, der Hinweise darauf liefern könnte, wie man dieses Zeitfenster offen hält. Im Jahr 2018 berichtete sein Team, dass Antioxidantien, die als Flavonole bekannt sind, eine wichtige Rolle bei der Unterdrückung hochreaktiver sauerstoffhaltiger Moleküle spielen, die als reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bezeichnet werden. Reaktive Sauerstoffspezies nehmen bei hohen Temperaturen in schädlichen Konzentrationen zu.

Moody ist jetzt Teil eines Teams in einer Gruppe, die darauf abzielt, jene molekularen Mechanismen und Gene aufzudecken, die Tomatenpollen helfen können, Hitzewellen zu widerstehen. Die Forscher hoffen, dass Züchter diese Gene dann in Tomatenpflanzen einführen und resistentere Pflanzen produzieren können. Erkenntnisse aus Moody’s früher Studie haben ihm bereits geholfen, eine Tomate zu entwickeln, die einen hohen Anteil an Flavonolen produziert.

„Diese Pflanzen scheinen sehr stark im Umgang mit Hochtemperaturstress zu sein“, sagt Moody. Letztendlich erwartet er, dass sie neben Flavonolen und reaktiven Sauerstoffspezies andere Faktoren identifizieren werden, die auf dem Weg der Hitze zum Pollentod wirksam sind, und weitere Ziele finden, an denen sie arbeiten können. In der Zwischenzeit arbeiten Züchter von Tomaten und anderen Pflanzen daran, Sorten zu entwickeln, die die Hitze besser vertragen.

Rebecca McGee„Wenn Bauern im pazifischen Nordwesten oder in den Bergstaaten oder in den Hochebenen Erbsen anbauen wollen und das Klima weiter wärmer wird, brauchen wir hitzetolerantere Erbsen“, sagt ein Pflanzengenetiker und Leguminosenzüchtungsspezialist der US-Agrarforschungsdienst. Tod Schulz, Research Vice President des United States Dry Peas and Lentils Council, sagt, dass Hülsenfrüchte wie Bohnen, Erbsen und Linsen nicht viel Feuchtigkeit benötigen; Aber wenn das Wetter zu heiß wird, hören die Pollen auf zu wachsen. Dieselbe Hitzewelle, die im vergangenen Jahr die Flensburger Ernte zerstörte, hat auch den Bohnen geschadet. Die Ernte von Linsen und Trockenerbsen ging auf etwa die Hälfte der durchschnittlichen Produktion zurück.

Baum

Prognosen zufolge wird der Klimawandel weitere Hitzewellen verursachen, und nur wenige Stunden hoher Temperatur reichen aus, um den Pollen irreparable Schäden zuzufügen.

McGee verändert einige seiner Kichererbsen und Linsen, um sie hitzebeständiger zu machen; Aber er hat auch einen anderen und unerwarteten Weg eingeschlagen: Pflanzen so verändert, dass sie die Kälte vertragen. In den nördlichen Vereinigten Staaten pflanzen die Erzeuger Hülsenfrüchte normalerweise im Frühjahr an. McGee schneidet Erbsen und Linsen, die im Herbst gepflanzt werden sollen. Die Idee seiner Arbeit ist, dass diese Sorten den Winter überleben und ihre Blüte im Frühsommer erfolgt, damit sie vor den Hitzewellen eine Chance haben, erfolgreich zu bestäuben.

Letztes Jahr gab McGee Saatgutzüchtern eine begrenzte Menge der von ihm produzierten Herbstsorten. Er sagt, sie blühten etwa zwei Wochen früher als Erbsen aus dem Frühling und hatten doppelt so viel Ertrag. Natürlich gibt es laut McGee keine Garantie dafür, dass diese Pflanzen blühen, bevor die Hitzewellen eintreffen; Aber Sie müssen sich nicht zu viele Sorgen machen.

an der Michigan State University, Jenna Walters Er untersucht, wie sich die Temperatur auf Heidelbeerpollen und Bestäuber auswirkt. Am Memorial Day-Wochenende 2018, dem US-amerikanischen Feiertag, der auf den letzten Montag im Mai fällt, erreichten die Temperaturen im Südwesten von Michigan 35 Grad; Während die Bienen zwischen den weißen Blüten der Heidelbeersträucher summten. Bei der Ernte waren viele Früchte kleiner als normal oder gar nicht ausgebildet. In einem Staat, der durchschnittlich 45.359 Tonnen Blaubeeren pro Jahr produzierte, ernteten die Erzeuger nur 29.937 Tonnen.

Pollen

Der Pollen einiger Pflanzen wird vom Wind getragen; während andere auf Insekten zur Bestäubung angewiesen sind.

Walters untersucht, was den Rückgang der Blaubeerernte verursacht hat. Er begann seine Arbeit mit der Bestimmung der thermischen Grenze von Heidelbeersamenpollen, legte die Pollen in Laborbehälter bei unterschiedlichen Temperaturen und beobachtete die Pollen 24 Stunden lang. Seine unveröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Heidelbeer-Pollenschläuche bei Temperaturen über 35 °C nicht wachsen.

Darüber hinaus simulierte Walters eine akute Hitzewelle, indem er Pollenkörner 4 Stunden lang Temperaturen über 37,5 °C aussetzte und die Temperatur dann 20 Stunden lang auf 25 °C absenkte. „Es gibt kein Zurück mehr“, sagt er. „Vier Stunden Hitzeeinwirkung reichen aus, um bleibende Schäden zu verursachen.“ Er bestätigt diese Ergebnisse nun an Blaubeerpflanzen in Zuchträumen mit unterschiedlichen Temperaturen. Wenn die Ergebnisse repliziert werden, könnten 35 ° C die Erzeuger dazu veranlassen, ihre Nebelsysteme regelmäßig einzuschalten, um die Felder kühl zu halten, sagt er.

Sie sollten jedoch auch die Vor- und Nachteile dieses Ansatzes berücksichtigen. Viele Krankheitserreger werden laut Walters vor allem während der Blütezeit durch hohe Luftfeuchtigkeit oder Wasser verbreitet. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass die meisten Bestäuber Pflanzen erreichen, wenn Nebelmaschinen in Betrieb sind. Laut Walters ist es möglich, dass die Erwärmung von Blaubeersträuchern im Laufe der Zeit auch zu einem Rückgang der Bestäuber von Blaubeeren führen wird.

Walters und ihre Kollegen vergleichen den Nährstoffgehalt von hitzegestressten Pollen mit dem von nicht hitzegestressten Pollen und suchen nach Unterschieden bei Proteinen, Kohlenhydraten und anderen Faktoren, die für die Bienengesundheit entscheidend sein könnten. In diesem Jahr wird Walters acht Gitterkäfige mit ein paar Blaubeerpflanzen und ein paar weiblichen Osmia lignaria-Bienen füllen, die die Blaubeerblüten bestäuben.

Über einen Zeitraum von vier bis fünf Wochen wird Walters täglich vier Stunden in den Käfigen sitzen und die Eiablage und das Pollensammeln der Bienen beobachten. Die Hälfte der Pflanzen steht zu Beginn der Blüte unter Hitzestress. Er sagt, es gebe Bedenken, dass, wenn Hitze Pollen abtötet und Ernährungsstress dazu führt, dass weibliche Bienen mehr männliche Eier produzieren, für deren Produktion weniger Pollen erforderlich sind. Männliche Bienen sind für den Heidelbeerzüchter von geringem Nutzen; Denn nur weibliche Bienen bestäuben und legen Eier, um die nächste Generation zu starten.

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Laut Walters könnten Erzeuger erwägen, Wildblumenstreifen zu pflanzen, die hitzetoleranter sind und den Bestäubern mehr Nährstoffe liefern können, um den Pollenverlust auszugleichen. Außerdem gibt es technische Lösungen. Westgate, Chief Scientific Officer von PowerPollen, konzentriert sich auf die Verbesserung der Bestäubung für Hersteller von Hybridmaissaatgut. Der Pollen der Maispflanze hat bei einer Temperatur von über 40 Grad Celsius ein Problem. Mit einer traktormontierten, vibrierenden Maiskolbenerntemaschine sammelt das Unternehmen große Mengen an reifem Pollen auf den Feldern und lagert diese lebenden Pollenkörner dann in einer kontrollierten Umgebung.

Wenn die Wetterbedingungen für die Befruchtung geeignet sind, kehrt das Unternehmen zurück, um diese Pollen auf die Pflanzen aufzubringen. Dies geschieht in der Regel spätestens fünf Tage nach Abholung. Diese Zeitspanne scheint kurz; Aber es kann Landwirten helfen, einen sehr heißen Tag zu vermeiden. Das genannte Unternehmen arbeitet daran, den Zeitrahmen zu erweitern und diese Technologie in anderen landwirtschaftlichen Produkten einzusetzen.

Für einige mag die einfachere Lösung darin bestehen, das Produkt komplett zu wechseln. Schultz sagt:

Es gibt Hülsenfrüchte, die in tropischen Klimazonen wachsen; Sie können also eine andere Ziffer wählen. Einige hitzetolerante Hülsenfrüchte wie Saubohnen und Kichererbsen benötigen jedoch mehr Feuchtigkeit, als die Trockenlandbauern im pazifischen Nordwesten bereitstellen können.

Flensburg in Washington will sein Produkt nicht ändern. Er hofft, dass die Züchtungsbemühungen ihm helfen werden, weiterhin Raps und andere Pflanzen anzubauen, die seine Familie seit Generationen angebaut hat.

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