Forschung

Die folgenden Forschungsprojekte und -arbeiten sind über den Lehrstuhl Allgemeine & Spezielle Botanik im Botanischen Garten angesiedelt oder vollziehen sich mit seiner Beteiligung. Daraus hervor gegangene Veröffentlichungen finden Sie in einer Gesamtliste der Publikationen.

Beteiligung an interdisziplinären Projektverbünden

West African Science Service Center on Climate Change and Adapted Land Use

Aktuelles Programm zur Erhaltung und Anpassung der Nutzung der natürlichen Biodiversität der Sudan-Savannen in Westafrika unter dem sich vollziehenden Klima- und Landnutzungswandel (Finanzierung: BMBF).

Biodiversity Monitoring Transect Analysis in Africa

Vorläuferprogramm des WASCAL-Programms zur Erforschung, Erhaltung und nachhaltigere Nutzung der natürlichen Biodiversität im Wald-Savanne-Mosaik der Elfenbeinküste, Westafrika, unter den Veränderungen des aktuellen globalen Wandels (Finanzierung: BMBF).

Raum-zeitliche Kulturlandschaftsforschung in einer virtuellen Forschungsumgebung

Populationsmuster gewässergebundener Pflanzenarten in Söllen Mecklenburgs als Funktion räumlicher und zeitlicher Landschaftsstruktur- und Landnutzungsparameter in einem virtuellen interdisziplinären Kulturlandschaftslaboratorium (Finanzierung: DFG).


Kontakt

Tel.: 0381/498-6200
Fax: 0381/498-6202
stefan.porembski(at)uni-rostock.de

Forschungsthemen

Die Auswahl im Folgenden aufgeführter Forschungsthemen hat den Hintergrund, interessante pflanzliche Merkmale für die spätere Nutzung durch den Menschen zu untersuchen. Die Entwicklung erhöhter Austrocknungstoleranz oder -resistenz ist bei Nutz-, aber auch Zierpflanzen in Zeiten des Klimawandels von großem Interesse, z. B. in den Regionen Nordostdeutschlands mit zunehmender Sommertrockenheit. Struktur und Wirksamkeit besonderer Oberflächen und Mechanismen von Organen karnivorer, d. h. Tiere fangender und verdauender Pflanzen können Vorbilder für eine Umsetzung derartiger Strukturen in technischen Anwendungen sein. Bei manchen insbesondere tropischen Pflanzengruppen, wie z. B. den Kolabäumen, sind viele lokale Verwendungen von Arten für eine weitere Entwicklung in der Zukunft interessant, aber kaum bekannt. Hinzu kommt häufig die Notwendigkeit, die Pflanzensippen taxonomisch genauer zu bearbeiten und Anstrengungen für die Erhaltung der durch Lebensraumzerstörung zum Teil vom Aussterben bedrohten Arten zu unternehmen. Dies wird gemeinsam mit Kollegen afrikanischer Partnereinrichtungen gemacht.

Anatomische und morphologische Anpassungen an Extremstandorte bei Wiederauferstehungspflanzen

Afrotrilepis pilosa-Matte auf Granit-Inselberg in der Elfenbeinküste

Alle Pflanzen benötigen eine regelmäßige Wasserversorgung zum Überleben. Dies trifft jedoch nicht auf so genannte Wiederauferstehungspflanzen zu, die in der Lage sind, mehrere Monate oder gar Jahre ohne Wasser zu überleben. Viele Algen, Moose und Flechten können vollständig austrocknen und bei erneuter Wasserversorgung wieder zum Leben erweckt werden. Innerhalb der Farne und insbesondere der Höheren Pflanzen besitzen höchstens 1500 Arten diese Eigenschaft.

Austrocknungstolerante Pflanzen sind oft an tropischen Extremstandorten mit unregelmäßiger Wasserversorgung, teilweise jedoch auch in gemäßigteren Klimazonen anzutreffen. Forschungsbemühungen zielen einesteils darauf ab, die Eigenschaft der Austrocknungstoleranz auf Nutzpflanzen zu übertragen und anderenteils die Kenntnis der phylogenetischen Beziehungen dieser bislang oft nur wenig untersuchten Pflanzengruppen zu vervollständigen. In der Abteilung Allgemeine und Spezielle Botanik der Universität Rostock werden mehrere Bachelor- und Masterarbeiten sowie Promotionsvorhaben über Wiederauferstehungspflanzen durchgeführt.

Anatomie und Morphologie austrocknungstoleranter Arten wie des Sauergrases (Cyperaceae) Afrotrilepis pilosa werden mit modernen Methoden wie der Computertomographie und Elektronenmikroskopie, aber auch unter Einsatz des Lichtmikroskops untersucht. Ziel der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Arbeiten ist die Beantwortung der Frage, ob bestimmte anatomische und morphologische Strukturen sowie keimungsbiologische Anpassungen existieren, die für ein Überleben langer Trockenperioden förderlich sind.

Zur Bereitstellung lebenden Pflanzenmaterials werden mehrere austrocknungstolerante Arten im Botanischen Garten kultiviert. Näheres zu Wiederauferstehungspflanzen erfahren Sie bei Korte & Porembski 2011 (pdf-Download 3,3 MB).

Anatomisch-morphologische Untersuchungen an afrikanischen austrocknungstoleranten Gefäßpflanzen entlang eines klimatischen Gradienten

Lichtmikroskopischer Querschnitt eines Blattes von Afrotrilepis pilosa

Die beiden austrocknungstoleranten Arten Afrotrilepis pilosa (verbreitet in Westafrika) und Coleochloa setifera (Ostafrika und Madagaskar) sind jeweils über ein relativ großes Gebiet verbreitet, in dem die klimatischen Bedingungen sehr variabel sind. Es ist bereits bekannt, dass beide Arten – bezüglich ihrer Anatomie/Morphologie – eine recht hohe intraspezifische Variabilität aufweisen. Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, ob die anatomischen Unterschiede Anpassungen an die klimatischen Bedingungen sind oder ob sie infolge der Isolierung der Wuchsorte (Inselberge) der einzelnen Populationen zufällig aufgetretene Variationen darstellen (Isolationseffekte).

Anatomische, morphologische und physiologische Charakterisierung von Styppeiochloa hitchcockii

In entlegenen Gebieten der Erde werden weiterhin neue Arten entdeckt, die darauf einer näheren Charakterisierung bedürfen. Solch eine Unbekannte innerhalb der Familie der Süßgräser (Poaceae) ist Styppeiochloa hitchcockii. Diese Art ist endemisch auf Inselbergen in Madagaskar, wo sie auf blankem Fels eine dichte Mattenvegetation bildet. Die Temperatur kann dort tagsüber bis zu 65 °C betragen, und die Wasserversorgung kann saisonal bedingt (mehrere Monate Trockenzeit) unterhalb eines für Gefäßpflanzen ertragbaren Minimums sinken. Daher gehört diese Art sehr wahrscheinlich zu den sog. Wiederauferstehungspflanzen, die nahezu vollständig austrocknen können, ohne zu sterben.

Im Botanischen Garten kultivierte Styppeiochloa-Pflanzen werden über morphologisch-anatomische und physiologische Versuche beschrieben. Untersuchungen mit dem Elektronenrastermikroskop und der Mikro-Computertomographie sollen morphologisch-anatomische Rückschlüsse ermöglichen, während durch die physiologischen Versuche die Prozesse der Photosynthese und CO2-Fixierung geklärt werden sollen. Die gesamte Information soll als erste Charakterisierung für Styppeiochloa hitchcockii unter dem Aspekt der Austrocknungstoleranz dienen und Anhaltspunkte für die Phylogenie und Ökologie liefern.

Inselberg Andranovelona auf Madagaskar
Styppeiochloa hitchcockii: Die Vegetation lässt sich als Matte abheben

Vergleich und Optimierung verschiedener DNA-Isolierungsmethoden an ausgewählten Wiederauferstehungspflanzen aus mehreren taxonomischen Gruppen

Austrocknungstolerante Velloziaceen der Gattung Xerophyta

Die Austrocknungstoleranz bei Gefäßpflanzen ist ein evolutiv sehr ursprüngliches Merkmal, das vor allem bei Arten an Extremstandorten anzutreffen ist. Eine besondere Eigenschaft vieler Wiederauferstehungspflanzen innerhalb der Angiospermen ist eine sehr feste Zellwand und ein dementsprechend festes und mechanisch widerstandsfähiges Gewebe. Diese Eigenschaft kann den für eine Isolierung der pflanzlichen Gesamt-DNA notwendigen Zellaufschluss erheblich erschweren. Weitere Probleme für die DNA-Isolierung, die nicht nur bei Wiederauferstehungspflanzen auftreten, stellen sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe dar, die beispielsweise im Rahmen der DNA-Isolierung genutzte Enzyme oder Chemikalien inhibieren oder die DNA selbst beschädigen können. Da jedoch für bestimmte molekulare Methoden, wie beispielsweise populationsgenetische Untersuchungen mithilfe der AFLP (amplified fragment length polymorphism), eine qualitativ hochwertige (intakte) und quantitativ ausreichende DNA notwendig ist, werden zunächst verschiedene Handmethoden zur Isolierung genomischer Gesamt-DNA aus verschiedenen Wiederauferstehungspflanzen miteinander verglichen bzw. durch Modifizierungen optimiert. Zur Untersuchung stehen unter anderem Vertreter der Cyperaceae (Afrotrilepis pilosa, Coleochloa setifera, Microdracoides squamosus), Poaceae (Styppeiochloa setifera), Velloziaceae (Barbaceniopsis spec., Xerophyta spec.), Polypodiaceae (Phymatosorus scolopendria, Platycerium stemaria) und Myrothamnaceae (Myrothamnus flabellifolius) zur Verfügung.

Da viele austrockungstolerante Arten oft schwer zugänliche Extremhabitate wie Inselberge besiedeln, waren viele Sippen evolutionsbiologisch bisher schlecht erschlossen, wobei phylogenetische Analysen zudem hauptsächlich auf morphologischen Merkmalserhebungen basierten, die oft nur weniger fundierte Aussagen bezüglich der Verwandtschaftsverhältnisse erlaubten. Neue genetische Analysemethoden sollen jetzt weitere Erkenntnisse liefern. Die bei Niederen Pflanzen häufig verwendeten genetischen Marker haben sich bei Höheren Pflanzen eher als problematisch erwiesen, so dass hier die Eignung von Mikrosatelliten als Marker untersucht wird. Mikrosatelliten-Marker werden bei anderen Pflanzengruppen bereits erfolgreich für phylogenetische Fragestellungen eingesetzt, sind relativ einfach auszuwerten und kommen ferner im Genom aller Lebewesen (Prokaryoten wie Eukaryoten) vor. Exemplarisch werden hier innerhalb der Gattung Xerophyta geeignete Mikrosatelliten als Marker für phylogenetische Analysemethoden gesucht, um diese dann zu etablieren.

Populationsgenetische Untersuchungen an austrocknungstoleranten Pflanzen afrikanischer und madagassischer Inselberge

Eine große Vielfalt austrocknungstoleranter Pflanzen wächst auf tropischen Inselbergen. Inselberge sind Gesteinsformationen aus Gneis, Granit oder Sandstein, die sich abrupt über ihre Umgebung erheben und durch besonders harsche Umweltbedingungen bezüglich Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit sowie durch hohe Temperaturen am Tage gekennzeichnet sind. Neben der Austrocknungstoleranz kennzeichnen Inselberg-Arten einige spezifische Merkmale, die sich konvergent in verschiedenen Familien durchgesetzt haben: Pseudostems, Velamen radicum, Diözie sowie Blütenbestäubung und Samenausbreitung durch den Wind.

Wissenschaftliche Arbeiten an austrocknungstoleranten Pflanzen verfolgten bisher vor allem für agroökonomische Zwecke das Ziel der molekularbiologischen Entschlüsselung jener Gene, die für die Austrocknungstoleranz sowie für den Mechanismus der Austrocknung und Wiederbelebung verantwortlich sind. Darüber hinaus können populationsbiologische Untersuchungen wichtige Informationen über die Überlebenskapazität von Arten in natürlicherweise isolierten Habitaten liefern und zudem Rückschlüsse über den Prozess der Spezifizierung erlauben. Hierfür ist der Vergleich von Populationen aus verschiedenen Gebieten interessant, in denen eine Art morphologische Variationen bereits zwischen verschiedenen Inselbergen aufweist, andererseits aber auch über zahlreiche Inselberge hinweg überraschend gleichgestaltig bleiben kann. Der Fokus der Arbeit liegt auf den Arten Myrothamnus moschatus (Myrothamnaceae) aus Madagaskar, Coleochloa setifera (Cyperaceae) aus Madagaskar und Südafrika sowie auf Afrotrilepis pilosa (Cyperaceae) aus Westafrika.

Inselberg im südlichen Zentralplateau Madagaskars
Myrothamnus moschatus im trockenen Zustand

Zur Evolution fleischfressender Pflanzen – das Beispiel der Präkarnivorie

„Wunder der Natur“ – diesen Begriff prägte vor über 200 Jahren der Wissenschaftler Karl von Linné für eine Gruppe von Pflanzen, die mit ihrer Einzigartigkeit so kontrovers wie kaum eine andere diskutiert wurde und wird. Es sind karnivore Pflanzen, besser bekannt als fleischfressende Pflanzen, die mit speziellen Mechanismen Insekten anlocken, fangen, töten und mit Hilfe eigens produzierter Verdauungsenzyme verdauen und sich so eine zusätzliche Nährstoffquelle erschließen. Neben diesen gibt es weitere Pflanzen, welche die gleichen Eigenschaften aufweisen, jedoch keine Enzyme zur Verwertung der Beute aufweisen. Es handelt sich hierbei um Präkarnivore.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit werden mit klebrigen Drüsenhaaren besetzte Fallentypen näher untersucht, um mittels einfacher Enzymanalyse festzustellen, bei welchen Arten tatsächlich Verdauungsenzyme produziert werden, und um Rückschlüsse möglicher Entstehungswege zur Karnivorie zu ziehen. Als Untersuchungsobjekte dienen der Kap-Sonnentau Drosera capensis, die Tomate Solanum lycopersicum, die Gewöhnliche Pechnelke Silene viscaria, das Sesamgewächs Proboscidea louisianica, der Diptam Dictamnus albus sowie Rhododendron luteum sweet.

Unter jedem Knoten im Blütenstand der Pechnelke (Silene viscaria) befindet sich ein stark klebriger, roter Stengelabschnitt
An den stark klebrigen Stengelabschnitten der Pechnelke (Silene viscaria) verenden Insekten, ohne verdaut zu werden

Analyse flüchtiger Substanzen in ausgewählten karnivoren Pflanzen

Drosophyllum lusitanicum

Als karnivore Pflanzen können im Allgemeinen all solche Pflanzen bezeichnet werden, die Tiere mit Hilfe spezialisierter Fangorgane (zu Fallen umgebildeten Blattorganen) anlocken, fangen und verdauen. Dabei handelt es sich um eine Anpassung an nährstoffarme Extremstandorte. Um die Beutetiere an oder in die Falle zu locken, hat diese höchst heterogene Gruppe von Pflanzen verschiedene Strategien entwickelt. Neben einer optischen Blütenmimikry in Form von auffällig gefärbten und geformten Fallen wird auch das Aussenden flüchtiger organischer Substanzen (sogenannter VOCs – engl. volatile organic compounds) genutzt, um potentielle Beutetiere zu ködern.

In einer Kooperation der Lehrstühle Allgemeine und Spezielle Botanik und Biochemie (Dr. Uta Effmert) wird untersucht, welche Substanzen von den stark nach Honig duftenden Fangorganen des Portugiesischen Taublatts, Drosophyllum lusitanicum, ausgesandt werden, und welche dieser Substanzen die vermeintliche Wirkung auf die Insekten haben können. Dabei sind deutliche Schwankungen der VOC-Emissionen zwischen verschiedenen Jahreszeiten sowie zwischen blühenden und nicht blühenden Pflanzen von zentralem Interesse. Die im Gewächshaus genommenen Proben werden in den Laboren der Biochemie mit gaschromatographischen und massenspektrometrischen Verfahren analysiert und ausgewertet.

Fangstrategien karnivorer Pflanzen am Beispiel Utricularia oder: Blitzschnelle Pflanzen

Lichtmikroskopische Aufnahme einer Fangblase von Utricularia australis

Die Gattung Utricularia aus der Familie der Wasserschlauchgewächse (Lentibulariaceae) gehört ebenfalls zu den karnivoren Pflanzen. Die Hauptverbreitungsgebiete sind die Tropen bis Subtropen, es gibt aber auch bei uns vor allem aquatische Vertreter.

Sie bilden blasenförmige, nur wenige Millimeter große Fangorgane aus, die an historische Weinschläuche erinnern. Der Eingang der Fallen ist mit einer Klappe fest verschlossen. Im Innern wird durch spezielle Drüsen Wasser heraus gepumpt, so dass sich ein Unterdruck aufbaut. Die Fallenwände wölben sich leicht nach innen. Berührt ein Wasserfloh die Triggerborsten unterhalb des Falleneinganges, wird der Fangvorgang eingeleitet: Die Klappe dellt ein, klappt blitzschnell um und befördert in dem Sog innerhalb von Millisekunden Wasser und mitgeführte Beute ins Falleninnere – die Mahlzeit ist gesichert.

Die schnellste bekannte Pflanzenbewegung wird anhand einer aquatischen Wasserschlauch-Art (Utricularia australis) und des terrestrischen Vertreters Utricularia livida verglichen.

Welche Geschwindigkeiten können die Klappen bei terrestrischen Formen erreichen? Woher stammt die Energie für den Prozess, welche Regenerationszeiten ergeben sich? Diese und viele weitere Fragen sind noch ungeklärt.

Bestäubungsbiologie von Pulsatilla vulgaris in Erhaltungskultur

Infolge des voranschreitenden Landnutzungswandels mit starker Zerschneidung und drastischem Flächenrückgang naturnaher Habitate sind viele Pflanzenpopulationen genetisch verarmt und in ihrer Existenz bedroht. Pflanzen derartig bedrohter seltener Wildarten werden in Botanischen Gärten in Erhaltungskulturen vermehrt, um sie anschließend wieder an geeigneten Naturstandorten auszubringen und damit die dortigen Populationen wieder zu stärken. Für den Erfolg der Maßnahme ist die genetische Qualität der ausgebrachten Samen oder Pflanzen wesentlich. Die in Botanischen Gärten zwangsläufig auf vergleichsweise engem Raum kultivierten Arten dürfen u. a. nicht mit anderen Taxa hybridisieren, was sämtliche Erhaltungsanstrengungen zunichte machen würde. Für die meisten der in Erhaltungskultur genommenen Arten ist noch zu untersuchen, auf welche Weise und Entfernung der Transport von Blütenpollen von Pflanzen aus dem Umfeld zu den Pflanzen in Erhaltungskultur geschieht, d. h. welche Sicherheitsabstände zu bekannten potenziellen Hybridisierungspartnern im Botanischen Garten einzuhalten sind.

Hierfür werden Pflanzen der Gemeinen Küchenschelle (Pulsatilla vulgaris) in einem regelmäßigen Raster über den Botanischen Garten Rostock verteilt und der Transport von Pollen zwischen diesen Pflanzen mittels fluoreszierender Pulver verfolgt. Diese Pulver werden auf den Staubblättern ausgewählter Pflanzen den echten Pollen hinzu gefügt. Von den anderen Pflanzen wird das von Insekten mitgenommene und wieder abgestreifte Pulver daraufhin abgesammelt und unter einem Fluoreszenzmikroskop ausgewertet. An diesem im Frühjahr noch vergleichsweise überschaubaren Blüher-Bestäuber-System sollen Hinweise auf Pollentransport und Bestäubungsverhalten der an den Blüten beobachteten Insekten erhalten werden und dann in die Umsetzung in Botanischen Gärten einfließen.