Warum blühen Pflanzen früh?

Die Pflanzenphänologie ist ein Forschungsgebiet, das sich mit der Definition der Entwicklungsstadien von Pflanzen, den so genannten phänologischen Stadien, befasst, die in verschiedenen Umwelten auftreten, und wie sie sich als Reaktion auf klimatische Veränderungen verändern. Wie andere Organismen auch reagieren Pflanzen empfindlich auf abiotische Einflüsse, d.h. auf äußere Faktoren wie Frost, Hitzewellen, Hagel, aber auch biotische Einflüsse wie Insektenbefall und Krankheitserreger. Die Empfindlichkeit ändert sich insbesondere in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium, in dem sich die Pflanze befindet, wenn sie die Veränderung erfährt. Wissenschaftliche Studien stützen sich auf phänologische Beobachtungen, die über mehrere Jahre in einem bestimmten Gebiet durchgeführt wurden, um Veränderungen und Risiken zu ermitteln.

Die Pflanzenblüte ist der Übergang zwischen der vegetativen und der reproduktiven Phase. Die Zellen des meristematischen Gewebes des Sprosses, d.h. die Zellen, die einen embryonalen Charakter haben, die "ewig jung" bleiben, vermehren und differenzieren sich. Dies bedeutet, dass Veränderungen auf genetischer Ebene stattfinden, die durch Umweltfaktoren wie Temperatur und Niederschlag ausgelöst werden. Die Blüte wird also durch verschiedene genetische Faktoren gesteuert, die ihrerseits durch äußere Einflüsse beeinflusst werden.

Die Blüte wird von verschiedenen Klimafaktoren beeinflusst, wie z. B. der Wintertemperatur, der die Pflanze ausgesetzt ist. Viele Pflanzenarten, vor allem solche, die in gemäßigten Klimazonen wachsen, müssen eine längere Zeit der Kälte ausgesetzt sein, die sogenannte Vernalisation, um zu blühen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fortpflanzungsentwicklung und die Samenproduktion im Frühling oder Sommer und nicht im Herbst stattfinden. Nach der Vernalisation benötigen die Pflanzen möglicherweise auch andere saisonale Reize, bevor sie blühen.

Die Blüte ist ein fein gesteuerter Prozess auf molekularer Ebene: Das Flowering Locus C (FLC) Protein ist der Hauptakteur. Es unterdrückt die Blüte, indem es die Gene blockiert, die für diesen physiologischen Prozess verantwortlich sind. Wenn die Pflanze jedoch einer längeren Kälteperiode ausgesetzt ist, werden andere Moleküle wie Proteine oder Nukleinsäuren produziert, die wiederum die FLC-Expression reduzieren. Durch die Unterdrückung der FLC-Expression können die Gene, die für die Blüte der Pflanze verantwortlich sind, frei exprimiert werden und so diesen physiologischen Prozess in Gang setzen.

In den letzten Jahren wurden mehrere Blüten früher als der durchschnittliche Zeitraum beobachtet. Die Messungen variieren je nach dem betrachteten Gebiet, das durch unterschiedliche Umweltreize gekennzeichnet ist, aber die Tendenz, diesen wichtigen physiologischen Prozess vorwegzunehmen, ist gut bekannt. Eine Studie der Universität Cambridge, in der 406 verschiedene Pflanzenarten untersucht wurden, ergab, dass der durchschnittliche Zeitpunkt der ersten Blüte zwischen 1987 und 2019 einen Monat früher lag als der zwischen 1753 und 1986 gemessene Durchschnittszeitpunkt. Andere Studien, die sich auf historische Daten zu den Blühterminen von mehr als 400 Arten stützen, zeigen, dass sich die Blütezeiten um durchschnittlich 4-6 Tage pro Grad Celsiusanstieg verschoben haben. So ergaben beispielsweise Beobachtungen in Pflanzengemeinschaften in Concord, Massachusetts (USA), die von 1852 bis 2006 gesammelt wurden, wo die Temperatur um 2,4°C anstieg, einen Vorlauf von 7 Tagen beim Blühtermin.

Der Zeitraum, in dem im Vereinigten Königreich eine frühere Pflanzenblüte festgestellt wurde, fällt mit dem Zeitpunkt zusammen, an dem sich die vom Menschen verursachte globale Erwärmung beschleunigt hat. In der Tat hat der Klimawandel seit den 1980er Jahren begonnen und Veränderungen auf globaler Ebene ausgelöst. Die Emissionen von Treibhausgasen, einschließlich Kohlendioxid, haben zu einem Anstieg der Durchschnittstemperatur auf der Erde geführt. Die anthropogenen Treibhausgasemissionen sind für die daraus resultierende Erwärmung der Erdoberfläche so relevant, weil sie in der Lage sind, die Infrarotstrahlung zu reflektieren, die die Atmosphäre erwärmt. Dies hat daher zu einem Anstieg der durchschnittlichen Oberflächentemperatur von 1,1°C. seit 1850 geführt.

Studien über die molekulare Sphäre, die die Blüte in Abhängigkeit von abiotischen Stimuli reguliert, haben in den letzten Jahren zugenommen. Die Informationen über die Auswirkungen von Faktoren des Klimawandels wie Temperatur und Kohlendioxidkonzentration auf die Regulierung der Blühzeitpunkte sind jedoch begrenzt. Im Allgemeinen gibt es eine Veränderung der verschiedenen molekularen Elemente, die die Genexpression regulieren, die den Blühprozess einleitet. Zu diesen Elementen gehören Proteine und verschiedene RNA-Moleküle, eine andere Nukleinsäure als die DNA. Diese RNA-Moleküle können lang sein, genannt "longRNA", oder kurz, genannt "microRNA", die eine hemmende Wirkung haben. Dieses komplexe, fein entwickelte System wird durch neue Umweltreize, denen die Pflanze ausgesetzt ist, verändert.

Die verschiedenen Entwicklungsstadien der Pflanzen haben sich in Abstimmung mit den Jahreszeiten und den sie regulierenden Umweltfaktoren entwickelt. Wenn Pflanzen zu früh blühen, besteht die Gefahr, dass sie einen Spätfrost erleiden, der zum Absterben der Blüten führt. Die Folge ist eine Kaskade: Die Pflanzen können weniger erfolgreich in der Fortpflanzung sein, was sich auf den Ertrag und die Qualität der Samen auswirkt, und Tiere, die für ihr Überleben auf Blüten angewiesen sind, wie die Bestäuber, können ohne ihre eigene Nahrungsquelle dastehen. Tatsächlich haben sich Pflanzen, Insekten, Vögel und andere Wildtiere so weit mitentwickelt, dass sie ihre Entwicklungsstadien synchronisieren.

Der Klimawandel, der die Durchschnittstemperatur und die Häufigkeit bestimmter Wetterereignisse verändert, wirkt sich bei den meisten Pflanzenarten negativ auf die Blütezeit aus. Dies wirkt sich auf die Interaktion zwischen Pflanzen und Bestäubern aus und verändert die Begegnungszeiten zwischen den beiden Interaktionspartnern, den Duft, die Farbe und die Entwicklung der Blütenorgane, was sich auf die Erkennung und Anziehung der Bestäuber auswirkt. Die Koevolution zwischen Pflanze und Bestäuber wird beeinträchtigt und es entsteht eine Art "Fehlanpassung", die die Lebensqualität und den Fortpflanzungserfolg beider beeinträchtigt.