„Landwirtschaft ist hochadaptiv“

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Wie sich eine globale Erwärmung auf die Landwirtschaft auswirken könnte, ist bislang unklar. Während immer wieder zu hören ist, ein höherer CO2-Gehalt in der Atmosphäre könnte das Pflanzenwachstum gar fördern, zeigen verschiedene Forschungsarbeiten, das diese Rechnung zu simpel ist. Der Pflanzenökologe Andreas Fangmeier betreibt an der Universität Hohenheim Versuchsanordnungen, um den Effekt des Klimawandels auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen genauer zu verstehen. Technology Review sprach mit Fangmeier über die zu erwartenden negativen Effekte, die bislang unterschätzte Schlüsselrolle des Enzyms Rubisco und mögliche Anpassungsstrategien für Landwirte.

Technology Review: Herr Fangmeier, man hört in der Diskussion um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft, dass diese zumindest in diesem Falle nicht so schlimm seien. Denn der erhöhte CO2-Gehalt mache sich in gesteigerten Erträgen bemerkbar. Der russische Präsident Wladimir Putin soll gar gesagt haben, ein wärmeres Sibirien könnte zur neuen Kornkammer Eurasiens werden. Werden wir tatsächlich riesige neue Anbauflächen haben, zumindest in nördlichen Breiten?

Andreas Fangmeier: Ein Körnchen Wahrheit ist da dran, obwohl man das regional sehr differenziert betrachten muss. Wenn wir eine Erwärmung haben, wandern natürlich auch Klimazonen nach Norden und machen Regionen zu Anbaugebieten, die heute noch keine sind. Die Frage ist, ob dann die jahreszeitliche Verteilung von Niederschlägen stimmt, ob die Böden an den Stellen geeignet sind. Das wird in diesen Überlegungen meist nicht beachtet.

Aber vieles von den potenziellen Ertragszuwächsen wird zunichte gemacht durch eine Häufung von extremen Klimaereignissen. Und wenn man versucht, alles, was man bisher weiß, für die temperierten Zonen in einen Topf zu werfen, also verschiedene Szenarien durchspielt: eine CO2-Erhöhung alleine oder zusammen mit Extremereignissen, bleibt unter dem Strich ein kleiner negativer Effekt übrig, weil sich das eine mit dem anderen wieder aufhebt.

Nun muss man beim CO2 zwei Dinge unterscheiden: einmal den Effekt als Treibhausgas, als Mitverursacher des Klimawandels, und einmal den direkten Effekt auf Pflanzen. Eine Zunahme der Erträge trifft für die so genannten C3-Pflanzen zu...

TR: ...also Pflanzen mit einer evolutiv älteren, weniger effizienten Variante der Photosynthese, die in etwa 95 Prozent aller Pflanzen auf der Erde genutzt wird. Die restlichen fünf Prozent werden als C4-Pflanzen bezeichnet und arbeiten mit einer jüngeren Form der Photosynthese.

Fangmeier: Für die C4-Pflanzen wie Mais oder Sorghum gilt diese Ertragszunahme nicht. Diese profitieren nur hinsichtlich der Wassernutzungseffizienz: Sie können nämlich bei erhöhtem CO2 ihre Spaltöffnungen, die Stomata, stärker schließen und verlieren deshalb pro Menge akquirierten CO2 weniger Wasser – was im Übrigen für die C3-Pflanzen genauso gilt.

In C3-Pflanzen kommt aber noch ein anderer Effekt zum Tragen: Bei ihnen wird die der Stickstoffnutzungseffizienz erhöht. Das hört sich zunächst positiv an. Die Pflanzen produzieren mit der gleichen Menge an Stickstoff, die sie im Gewebe haben, eine größere Menge an Kohlenhydratgerüsten. Der Mechanismus dahinter ist folgender: Das Enzym, das in allen grünen Pflanzen das CO2 fixiert und in Kohlenhydrate umwandelt, Rubisco genannt, ist relativ ineffizient. Es ist in der Evolution zu einer Zeit entstanden, als CO2 keine Mangelware, sondern in viel höheren Konzentrationen als heute vorhanden war. Um die wenigen CO2-Spuren, die trotz beobachtbarem Anstieg in der heutigen Atmosphäre vorhanden sind, zu fixieren, brauchen Pflanzen viel Rubisco. Etwa die Hälfte des löslichen Proteins in grünen Blättern ist Rubisco.

Wenn C3-Pflanzen nun unter erhöhtem CO2-Gehalt aufwachsen, dann benötigen sie nicht so viel Rubisco, um die gleiche Menge an CO2 zu fixieren, weil das Enzym ja stärker damit gesättigt ist und besser arbeiten kann. Die Pflanzen fahren also ihren Rubisco-Gehalt in den Blättern herunter. Das Enzym katalysiert außerdem noch eine weitere Reaktion: Statt CO2 kann auch Sauerstoff gebunden werden. Das ist der Prozess der Photorespiration. Wenn das CO2 ansteigt, während der Sauerstoffgehalt gleich bleibt, dann wird die Photorespiration reduziert.

Das Ergebnis ist eine Netto-Ersparnis an Enzymen in grünen Blättern. Die Stickstoffgehalte, die ein gutes Maß für den Proteingehalt sind, sinken in grünen Blättern um etwa 10 bis 15 Prozent, wenn der CO2-Gehalt der Atmosphäre um 200 ppm ansteigt. Dabei ist es egal, ob es sich um eine Wild- oder eine Kulturpflanze handelt.

TR: Was bedeutet das?

Fangmeier: Dieser Prozess wirkt sich auf die Ertragsqualität aus: Der Stickstoff, der zum Beispiel bei der Ernte in einem Weizenkorn steckt, stammt überwiegend aus den vegetativen Organen der Pflanze, also Blättern, Halmen, Sprossen. Nach der Blüte wird nicht mehr sehr viel aus dem Boden aufgenommen, der Hauptprozess danach ist eine Verlagerung des Stickstoffs. Die Proteine werden lysiert, wie man sagt, also in Aminosäuren überführt, und in Richtung Korn transportiert. Der überwiegende Teil des Stickstoffs, den wir in den Körnern finden, stammt aus den Blättern. Dort ist nun weniger pro Blatteinheit vorhanden – eben aufgrund des CO2-Effekts auf die Photosynthese.

Gleichzeitig haben die Pflanzen, weil es ihnen durch die CO2-Versorgung besser geht, mehr Körner, die mit Stickstoff gefüllt werden müssen, doch der reicht nicht für alle Körner. Die verminderte Stickstoffkonzentration in den Blättern schlägt sich also auch in den Körnern nieder. Die Erträge steigen, weil es mehr Körner gibt, aber in denen stecken weniger Proteine drin. Damit ändern sich dann auch die Eigenschaften etwa eines Brotteigs, der möglicherweise nicht mehr wie gewohnt aufgeht. Überspitzt ließe sich sagen, dass der Klimawandel dazu führen könnte, dass wir nicht mehr in gewohnter Weise Brot backen können.

Das könnte auch Folgen für das Bierbrauen haben. Der beschriebene Mechanismus gilt auch für das Rohprodukt Gerste, das der Brauer künftig einsetzt, immer unter der Annahme, wir hätten dann noch die gleichen Sorten – die wir in 50 Jahren mit Sicherheit nicht haben werden: die Gerste wird einen geringeren Proteingehalt aufweisen. Das Protein trägt aber wesentlich zum Schäumen des Bieres bei.

TR: Gibt es diesen Effekt nur bei Getreide wie Weizen und Gerste?

Fangmeier: Nein, das passiert unisono bei allen C3-Pflanzen. Wann immer sich eine Pflanze mit Samenkörnern vermehrt und in diese Samen alles hineinsteckt, was sie für die Folgegenerationen braucht, funktioniert das im Prinzip ähnlich.

TR: In ihren Experimenten haben sie aber noch nicht den Temperaturanstieg berücksichtigt?

Fangmeier: Wir haben die Pflanzen von der Keimung bis zur Erntereife unter erhöhten CO2-Bedingungen analysiert.

TR: Klimatisch waren es aber immer noch dieselben Bedingungen wie heute?

Fangmeier: Ja, wir haben viele Versuche im Freiland gemacht. Wir haben Expositionssysteme, die das Klima unwesentlich verändern. Diese haben wir mit verschiedenen CO2-Konzentrationen betrieben, mussten aber immer das Klima nehmen, das wir gerade heute haben. Seit diesem Jahr fahren wir auch im kleineren Maßstab – räumlich kleiner, aber besser kontrolliert – Versuche, in denen wir die Interaktion zwischen Klimaveränderungen und CO2-Erhöhung messen. Wir haben gerade Sojabohnen, Saubohnen und auch Tomaten im Anbauversuch. Die lassen wir bei 2 Grad höheren Temperaturen und erhöhter CO2-Konzentration wachsen.

TR: Am Internationalen Reisforschungsinstitut auf den Philippinen versucht man derzeit, eine C4-Variante des Reises zu entwickeln. Dort haben Studien gezeigt, dass beim herkömmlichen C3-Reis die Erträge bei einer Erwärmung zurückgehen könnten – schätzungsweise um zehn Prozent pro Grad Erwärmung. Von einem C4-Reis erhofft man sich, diesen Rückgang kompensieren zu können. Was halten sie davon?