Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Sylvia Haider hat kürzlich eine Studie über die Vielfalt der Blattgestaltung in Wäldern veröffentlicht, mit dem Ziel, die Bedeutung der Variabilität innerhalb von Arten (und sogar innerhalb einzelner Bäume) zu verstehen. Als Teil von TreeDì, einer deutsch-chinesischen Graduiertenschule, die sich mit den Ursachen und Folgen von Baum-Baum-Interaktionen in chinesischen subtropischen Wäldern befasst, führte die Forschungsgruppe ihre Studie im Rahmen von BEF-China durch, dem weltweit größten Experiment zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Waldvielfalt und Ökosystemfunktionen.

Die vielen Facetten der merkmalsbasierten Ökologie

Das Gebiet der merkmalsbasierten Ökologie, welches untersucht, wie Pflanzenmerkmale („traits“) ökologische Prozesse erklären, hat sich bislang vor allem auf Unterschiede zwischen Arten konzentriert. Jedoch sollte die intraspezifische (innerhalb einer Art) und sogar intraindividuelle (innerhalb einzelner Pflanzen) Variabilität von Merkmalen, die bei Blättern auftritt, nicht übersehen werden, denn sie könnte verborgene Aspekte von Ökosystemprozessen erklären. In ihrer Studie zeigten Castro Sánchez-Bermejo und Kolleg*innen, dass die Vielfalt der Blattgestaltung innerhalb einer Baumart selbst ebenfalls erheblich zur funktionalen Vielfalt eines Waldes beiträgt.

Funktionale Merkmale von Blättern können variieren, sogar innerhalb einer Art

Über diese feinskalige Variabilität von Merkmalen ist bislang wenig bekannt, doch könnte sie für die Funktionsweise des Waldes von entscheidender Bedeutung sein. Deshalb wollten die Forscher*innen herausfinden, wie sich die intraspezifische und intraindividuelle Variabilität entlang eines Diversitätsgradienten verändert und was dies für die Wechselwirkungen zwischen den Bäumen bedeutet. Um eine Antwort darauf zu finden, untersuchten sie Blätter von acht Baumarten in Waldbeständen, die einen Diversitätsgradienten von artenarmen Monokulturen bis hin zu artenreichen Mischwäldern repräsentierten. Verschiedene Blattmerkmale, die mit der Ressourcennutzung zusammenhängen, wurden erfasst, um Unterschiede zwischen Individuen derselben Art zu analysieren (z. B. wurde der Stickstoffgehalt der Blätter, der in photosynthetischen Molekülen reichlich vorhanden ist, als Indikator für die Photosyntheseleistung herangezogen).

Ein Blick hinter die Kulissen: Wie wird Blattvielfalt gemessen?

Die Untersuchung von 4.568 Blättern von 381 Bäumen, bei der jeweils fünf funktionelle Merkmale pro Blatt erfasst wurden, ergab insgesamt 22.840 Messwerte. Das klingt nach viel Arbeit? Ist es auch! Deshalb beschlossen die Forscher*innen, Blattspektroskopie und maschinelles Lernen zu kombinieren, um alle Blätter zu „phänotypisieren“. Mit Hilfe dieser Methode konnten sie die morphologischen und chemischen Merkmale der Blätter optisch erfassen.

Ein Blick auf die Ergebnisse

Um dir einen Überblick über die Ergebnisse der Studie zu geben, kommt jetzt, was die Forscher*innen herausgefunden haben:

Die intraspezifische Variabilität nimmt mit zunehmendem Artenreichtum ab. Was bedeutet das? In artenarmen Monokulturen versuchen Bäume derselben Art, unterschiedliche Blätter zu entwickeln, um die Konkurrenz innerhalb ihrer Art zu verringern. Dies spiegelt eine Art „funktionale Merkmalsschüchternheit“ wider, da die Bäume sich hinsichtlich ihrer funktionalen Strategien offenbar gegenseitig ausweichen. In Mischbeständen, d. h. artenreicheren Wäldern, ist dies weniger notwendig, da die ökologischen Nischen bereits durch Unterschiede zwischen den Arten aufgeteilt sind. Daher weisen die Bäume in Mischbeständen ähnlichere Blätter auf. Was die intraindividuelle Variabilität betrifft, so führen Monokulturen, die durch weniger strukturierte Baumkronen gekennzeichnet sind, zu einer ungleichmäßigen Lichtverteilung innerhalb einzelner Bäume, was die hohe Blattvariation innerhalb eines einzelnen Baumes im Vergleich zu Mischbeständen erklären könnte.

Info: Funktionale Vielfalt & funktionale Divergenz

Funktionale Vielfalt und funktionale Divergenz sind zwei Kenngrößen, die beschreiben, wie ein „Merkmalsraum“ (“trait space”) – der die Bandbreite möglicher Merkmale darstellt – beispielsweise von einer Baumart besetzt wird. Eine höhere funktionale Vielfalt steht im Zusammenhang mit einer größeren Anzahl an eingesetzten funktionalen Strategien. Eine hohe funktionale Divergenz bedeutet hingegen, dass sich die dominanten funktionalen Strategien innerhalb einer Art stark voneinander unterscheiden. Eine geringe funktionelle Divergenz deutet daher darauf hin, dass es eine sehr verbreitete Strategie gibt, während andere vorhandene Merkmale nur selten vertreten sind. Die folgende Abbildung soll dabei helfen, sich die Kenngrößen besser vorzustellen.

Bäume nutzen ihre Ressourcen geschickt

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass beide Quellen der Merkmalsvariation – die intraspezifische und die intraindividuelle – Baumgemeinschaften funktional vielfältiger machen. Die intraspezifische Variabilität erhöht die funktionale Vielfalt, während die intraindividuelle Variabilität zur funktionalen Divergenz beiträgt – was zu einer komplexeren Verteilung der Merkmale führt. Die festgestellten Muster deuten darauf hin, dass Bäume unterschiedliche Bereiche des „Merkmalsraums“ einnehmen, was bedeutet, dass sich die Strategien, die ein Baum anwendet, von denen seines Nachbarn unterscheiden. Wie Castro Sánchez-Bermejo erklärt, scheint jeder Baum unterschiedliche Strategien zu entwickeln, um die Konkurrenz mit seinen Nachbarn zu minimieren, selbst mit denen, die zur selben Art gehören. Ist das nicht erstaunlich? Dies führt zu einer beeindruckenden Menge und Vielfalt an Strategien der Bäume, um die Ressourcen des Waldes wie Wasser, Licht oder Nährstoffe effizient zu nutzen.

Was kann zukünftige Forschung aus dieser Studie lernen?

Wie die Ergebnisse zeigen, kann die phänotypische Vielfalt innerhalb einer Art von großer Bedeutung sein. Daher reicht der Schutz einzelner Arten allein möglicherweise nicht so sehr aus, um die biologische Vielfalt zu erhalten, wie man denkt. Das Verständnis der Muster der Merkmalsvariation könnte neue Aspekte der Mechanismen aufdecken, die der Funktionsweise von Waldökosystemen zugrunde liegen. Um die auf lokaler Ebene ablaufenden Prozesse vollständig zu erfassen, müssen wir zudem von einer artenbasierten Merkmalsökologie zu einer individuenbasierten Merkmalsökologie übergehen.

Du möchtest mehr über die Variabilität der Merkmale von Bäumen sowie über die Ergebnisse und Methoden der Studie erfahren? Dann kannst du hier den vollständigen Artikel in der Fachzeitschrift Nature Communications lesen:  https://www.nature.com/articles/s41467-025-67265-8

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