Publikation

Insects take a bigger bite out of plants in a warmer, higher carbon dioxide world

AutorIn: DeLucia EH et al.
Veröffentlichung: 2008
Institut: Department of Plant Biology and Institute of Genomic Biology
Quelle: Zur Website
Beschreibung: Kohlendioxid ist ein starkes "Treibhausgas". Der dramatische Anstieg seiner Konzentration in der Atmosphäre als Ergebnis menschlicher Aktivitäten, beginnend mit der beschleunigten Verbrennung fossiler Brennstoffe im späten 18. Jahrhundert oder vielleicht sogar noch früher, und zwar mit der modernen landwirtschaftlichen Expansion vor 8.000 Jahren, führt zu einem markanten Anstieg der globalen Temperatur. In den vergangenen 650 000 Jahren lag die CO2-Konzentration in der Atmosphäre bis vor relativ kurzer Zeit bei 280 ppm oder weniger; die derzeitige Konzentration liegt jedoch bei über 380 ppm und wird bei ihrem derzeitigen Verlauf bis 2050 550 ppm überschreiten. Die Anhäufung von CO2 und anderen Treibhausgasen in der Atmosphäre führt zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur; während der Lebenszeit eines heute geborenen Kindes wird die Durchschnittstemperatur der Erde um bis zu ≈6°C ansteigen. Durch das Zusammenwirken von erhöhter Temperatur und CO2 kommt es zu einer Umverteilung der Pflanzen- und Tiergemeinschaften auf der Erdoberfläche. Wegen der direkten Auswirkungen von CO2 und Temperatur auf die globale Nahrungsmittelversorgung wird der Einfluss dieser Veränderungen auf die Pflanzenphysiologie und -ökologie aktiv untersucht. Wie diese Elemente des globalen Wandels die Interaktionen zwischen Pflanzen und den Insekten, die sich von ihnen ernähren, verändern können, ist relativ unbekannt. Currano et al. haben in dieser Ausgabe von PNAS herausgefunden, dass die Menge und die Vielfalt der Insektenschäden an Pflanzen in Verbindung mit einem abrupten Anstieg des atmosphärischen CO2 und der globalen Temperatur vor mehr als 55 Millionen Jahren zugenommen haben, indem sie die Geheimnisse der Fossilien ans Licht brachten. Wenn die Vergangenheit tatsächlich ein Fenster in die Zukunft ist, dann deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass die zunehmende Herbivorie durch Insekten eine weitere unangenehme Überraschung des anthropogenen Klimawandels sein wird.
Die Überschneidung der Epochen Paläozän und Eozän vor 55,8 Millionen Jahren war durch einen plötzlichen, vorübergehenden Anstieg des atmosphärischen CO2 und einen entsprechenden Anstieg der globalen Temperatur gekennzeichnet. Während dieses Paläozän-Eozän-Thermalmaximums (PETM) verdreifachte sich die CO2-Konzentration, und die Oberflächentemperaturen stiegen innerhalb von 10 000 Jahren um ≈5 °C. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur anstieg, macht das PETM zu einem aussagekräftigen Analogon für den anthropogenen Klimawandel in der heutigen Zeit.
Um zu untersuchen, wie sich der rasche CO2- und Temperaturanstieg im PETM auf die Schädigung von Blättern durch Insekten auswirkte, gruben Currano et al. mehr als 5 000 fossile Blätter aus dem Bighorn Basin in Wyoming aus und maßen die Art, die Häufigkeit und das Ausmaß der Herbivorie. Die Blätter wiesen eine schillernde Vielfalt an Schäden auf, von klaffenden Löchern, die von beißenden Insekten mit großen, kräftigen Mandibeln verursacht wurden, über Gallen, die durch die Eiablage von Wespen entstanden sind, bis hin zu feinen Minen, die von Motten- und Fliegenlarven beim Verzehr des nahrhaften Blattmesophylls angelegt wurden, und zu den durchdringenden Schäden, die von Blattläusen und Milben verursacht wurden. Als der Anstieg der CO2-Konzentration einen Anstieg der Jahresdurchschnittstemperatur von 10,5° auf 20,1°C erzwang, stieg der Prozentsatz der geschädigten Blätter von ≈38% auf ≈57%, und auch die Vielfalt der Schäden nahm zu. Die Zunahme der Arten und des Ausmaßes von Blattschäden während des PETM könnte zum Teil auf grundlegende Veränderungen in der Interaktion zwischen Pflanzen und Insekten zurückzuführen sein.
Obwohl das Muster der zunehmenden Herbivorie im PETM, klar ist, sind die Mechanismen, die die Eskalation der Herbivorie steuern, schwer zu erkennen und stellen ein komplexes Zusammenspiel der Auswirkungen von Temperatur und CO2 auf Insekten und Pflanzen dar. Ausgehend von der Verbreitung und dem Verhalten heutiger Insekten lässt sich die Hypothese aufstellen, dass die zunehmende Herbivorie mit steigenden Temperaturen einhergehen sollte. Wie bei vielen anderen Taxa nimmt die Zahl der Insekten pro Flächeneinheit zu, wenn man sich von den kalten nördlichen Breiten in die warmen äquatorialen Regionen und von den hohen Gipfeln hinunter zu den Tälern bewegt. Entwicklungszeit und Wachstumsraten beschleunigen sich, und die Schwellentemperaturen für die Fortbewegung werden bei wärmeren Temperaturen für viele, aber nicht für alle Insekten früher überschritten. Die Aussagekraft dieser Verallgemeinerungen wird jedoch durch die enge Synchronität der Lebenszyklen von Insekten mit der Phänologie der Pflanzen und die großen Unterschiede in der Reaktion auf die Temperatur bei Insekten mit sehr unterschiedlichen lebensgeschichtlichen Merkmalen eingeschränkt. Obwohl Atmungsrate und Nahrungsverbrauch von Insekten in der Isolation des Labors mit der Temperatur ansteigen können, könnten Veränderungen in der Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft oder individualistische Reaktionen von Pflanzen und Insekten auf die Temperatur die Hauptfaktoren sein, die sich auf die Herbivorie in natürlichen Gemeinschaften auswirken, wenn sich das Klima erwärmt.
Die Mechanismen, die das Ausmaß der Schädigung durch Pflanzenfresser bestimmen, werden noch komplexer, wenn man die möglichen Wechselwirkungen mit erhöhtem CO2 berücksichtigt. Viele Insekten reagieren direkt auf CO2 als Hinweis auf günstige Eiablageplätze oder begehrte Nahrungsquellen; die CO2-Konzentrationen, die diese Reaktion hervorrufen, sind jedoch in der Regel viel höher als die, die durch den globalen Wandel zu erwarten sind. Die indirekte Auswirkung von erhöhtem CO2 auf die Blattchemie und damit auf die Schmackhaftigkeit der Blätter für Insekten wird wahrscheinlich den größten Einfluss auf die Herbivorie haben.
Ein Anstieg des CO2-Gehalts erhöht im Allgemeinen das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis des Pflanzengewebes, wodurch sich ihre Qualität als Nahrung für Insekten mit Proteinmangel verringert. Insekten können ihre Nahrungsaufnahme beschleunigen, um den verringerten Stickstoffgehalt der Blätter auszugleichen, obwohl dies nicht immer der Fall ist. Wurde eine Sojapflanze unter ansonsten natürlichen Feldbedingungen erhöhtem CO2 ausgesetzt, verdoppelte sich der Blattschaden durch Japanäfer (Popillia japonica) und wenn sie die Wahl hatten, ernährten sich sowohl die Japankäfer als auch die mexikanischen Bohnenkäfer (Epilachna varivestis) vorzugsweise von Blättern, die unter Bedingungen mit hohen CO2-Gehalten gebildet wurden. Jüngste Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Wachstum unter erhöhtem CO2-Gehalt die Fähigkeit von Sojapflanzen beeinträchtigt, Proteinase-Inhibitoren zur Verteidigung zu produzieren (C.L.C. und J. Zavala, unveröffentlichte Daten), und dass der Verzehr dieser schlecht geschützten Blätter die Fruchtbarkeit des Japankäfers erhöht. Künftig erhöhte CO2-Werte in der Atmosphäre werden die Beziehung zwischen Pflanzen und Insekten grundlegend verändern, und ein beschleunigter Insektenfraß könnte einen Teil der prognostizierten Produktivitätssteigerungen in der Landwirtschaft ausgleichen, die mit höheren CO2-Werten in der Atmosphäre einhergehen.
Zu verstehen, wie sich diese raschen anthropogenen Veränderungen des Klimas und der Atmosphärenchemie auf die "Güter und Dienstleistungen" auswirken werden, die einheimische und landwirtschaftliche Ökosysteme bereitstellen, ist eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Currano et al. interpretieren den "Wortlaut" des Fossilnachweises und legen nahe, dass der globale Wandel zu größeren Insektenschäden an wertvollen Nutzpflanzen und Wäldern führen wird. Freilandexperimente wie SoyFACE, die eine präzise experimentelle Kontrolle mit der Möglichkeit realistischer ökologischer Interaktionen kombinieren, werden entscheidend dazu beitragen, ein mechanistisches Verständnis trophischer Interaktionen zu entwickeln und die nächste Generation von Theorien zur Vorhersage solcher Interaktionen in der Zukunft zu entwerfen.