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Understanding how plants overcome drought by controlling stomatal function: applicability and impacts on agriculture

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Studie zu Indikatoren von Wasserstress bei Anbaupflanzen verbessert Bewässerungseffizienz

Die Pflanzenphysiologie ist auf verlässliche Indikatoren von Wasserstress angewiesen. Forschende haben diese nun ermittelt und können so feststellen, wann Pflanzen Wasser in welchen Mengen benötigen. Damit kann eine effiziente Bewässerung in Zukunft Realität werden.

Klimawandel und Umwelt
Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Die weltweite Bevölkerungswachstumsrate übertrifft bei Weitem jegliche Steigerung in der landwirtschaftlichen Erzeugung. Dass die Landwirtschaft bei dieser Entwicklung nicht mithalten kann, liegt zu einem wesentlichen Teil an der Wasserverfügbarkeit. Um mit den für 2050 prognostizierten Bevölkerungszahlen auf einer Linie zu sein, benötigt die Landwirtschaft 70 % mehr Wasser, als sie momentan verbraucht. Dieses Wasservolumen wird jedoch in der Regel nicht verfügbar sein. Viele Regionen auf der Welt, darunter auch Europa, müssen sich infolge des Klimawandels auf eine geringere Wasserverfügbarkeit einstellen. In Ländern mit trockenem oder halbtrockenem Klima fließen bereits 80 % des verfügbaren Süßwassers in die Landwirtschaft, und dieser Verbrauch wird mit fortschreitendem Klimawandel noch steigen. Für die Landwirtschaft heißt das, dass sie effizienter werden muss. In Europa werden Anbaupflanzen zusätzlich bewässert werden müssen, und zwar auf sehr präzise Weise. Mit den gängigen Praktiken des Bewässerungsmanagements lassen sich die optimalen Wassermengen für den Anbau unter trockenen Bedingungen allerdings nur begrenzt festlegen. Hier sind neuartige Bewässerungsmethoden gefragt. Deren Entwicklung setzt jedoch ein umfassendes Verständnis der physiologischen Reaktion der Pflanzen auf Trockenheit voraus.

Wasserstress und Reaktion auf Wasserknappheit

Im EU-finanzierten Projekt AgroPHYS wurde diese Reaktion untersucht und mittels mechanischer Sensoren in Echtzeit überwacht. Die Forschung wurde mit Unterstützung der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt. Grundlage für die Untersuchung der physiologischen Reaktion der Pflanzen auf Trockenheit bildet das Konzept des Wasserstresses. Im Kern bedeutet das, die Pflanze benötigt Wasser, kann aber nicht in ausreichender Menge darauf zugreifen. Folglich wird sie sich nicht optimal entwickeln. „Für eine genaue Bewässerungsplanung ist unverzichtbar, den besten Indikator für Wasserstress bei den Pflanzen zu kennen“, erläutert Projektkoordinatorin Celia Rodriguez Dominguez. „Das wäre der nötige Anhaltspunkt, um zu wissen, welche Wassermengen zu welchem Zeitpunkt erforderlich sind.“

Verbessertes Wasserstress-Monitoring

Wasserstress ist nicht zu einfach zu interpretieren. Standardmäßige Messgeräte liefern mehrdeutige Ergebnisse und lassen sich nur schwer mit spezifischen physiologischen Reaktionen verknüpfen. Die meisten derzeit bekannten Indikatoren sind unzureichend. Zur Auffindung eines geeigneteren Indikators verwendete das Forschungsteam von AgroPHYS eine Reihe existierender Werkzeuge zum Pflanzen-Monitoring, um die physiologischen Abläufe zu ermitteln. Die wichtigsten und innovativsten davon waren besondere Kameras und Mikrofone zur Überwachung der Luftblasenbildung im Gefäßsystem von Olivensetzlingen, während die Pflanzen dehydrieren. Zusätzlich erarbeitete das Team eine neuartige Kombination von Rehydrierungstechniken, anhand derer der Fluss des Wassers von der Wurzel unter der Erde bis zum Blatt erfasst wurde. Die neuen physiologischen Erkenntnisse aus diesen Beobachtungen waren die bedeutendsten Ergebnisse des Projekts. Darüber hinaus wurde erfolgreich gezeigt, dass die Kenntnis der Widerstandsfähigkeit von Anbaupflanzen gegenüber Wasserstress im Kontext des Klimawandels eine wichtige Rolle spielt. Allerdings erwies sich, dass bei Obstbäumen ein hoher Stresspegel unwahrscheinlich ist, da sich die Spaltöffnungen ihrer Blätter zur Stressabwehr schließen. Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass das Ausmaß der Produktivitätseinschränkung durch Schließen der Spaltöffnungen davon abhängt, inwieweit die Pflanze fähig ist, unter der Erde Wasser aufzunehmen. „Wir haben gezeigt, dass der Öffnungsgrad der Spaltöffnungen der Blätter die Zielvariable für das Wasserstress-Monitoring bei Obstbäumen sein sollte“, ergänzt Rodriguez Dominguez. Wenn die Wissenschaft also Wasserstress bei Pflanzen früher erkennen kann, bedeutet dies für die Praxis, dass Anbaupflanzen weniger Wasser benötigen und die Bewässerung effizienter ablaufen kann. Indem sie Wasserstress mit der Physiologie der Produktivität in Bezug setzen, können Forschende darüber hinaus die Bewässerungsstrategien abhängig vom jeweiligen Wachstumsstadium anpassen. Kleine landwirtschaftliche Betriebe können mithilfe der Sensoren ihren Ertrag sowie die Qualität der Anbaupflanzen steigern und dabei gleichzeitig Wasser sparen und effizienter nutzen.

Schlüsselbegriffe

AgroPHYS, Wasserstress, Bewässerung, Landwirtschaft, Trockenheit, Anbaupflanzen, Spaltöffnungen, Blätter, Olivenbaum

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