Strahlung
Wirkung auf Pflanzen
Hintergrundinformation
Quelle: GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, Umweltberatung Bayern

UV-B

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Was ist Ultraviolette Strahlung

Wie beeinflußt die Ozonkonzentration die UV-B-Strahlung

Welche Folgen hat erhöhte UV-B-Strahlung auf die molekulare Photochemie und das Gewebe von Pflanzen UV-B-empfindliche Wirkorte in einer Pflanze
Auswirkung der UV-B-Strahlung auf Pflanzen

Welche molekularen Schutzmechanismen haben Pflanzen zur Verfügung

Welche Folgen hat erhöhte UV-B-Strahlung auf die ganze Pflanze sowie das Ökosystem

Literatur

Was ist Ultraviolette Strahlung

Als UV-Strahlung bezeichnet man den Teil des Sonnenspektrums zwischen einer Wellenlänge von 100 und 400 nm, also zwischen der Röntgenstrahlung und dem sichtbaren Licht. Die UV-Strahlung wird wiederum in die drei Teilbereiche UV-A (320 - 400 nm), UV-B (280 - 320 nm) und UV-C (100 - 280 nm) unterteilt. UV-C-Strahlung hat die höchste Energie und birgt potentiell die größte Gefahr für biologische Systeme, da sie stark mit Proteinen und dem Erbgut (DNA) von Zellen wechselwirken kann. UV-C hat aber nur eine untergeordnete Bedeutung für die Umwelt, da sie vollständig von der Atmosphäre absorbiert wird und nicht zur Erdoberfläche vordringen kann. UV-B Strahlung, die lebenden Systemen ebenfalls potentiell gefährlich sein kann, wird normalerweise zum größten Teil in der Atmosphäre durch das Ozon absorbiert. Die energieärmere UV-A-Strahlung wird nur zu einem geringen Teil durch die Atmosphäre her ausgefiltert und erreicht nahezu vollständig die Erdoberfläche.

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Wie beeinflußt die Ozonkonzentration die UV-B-Strahlung

Die Ozonkonzentration in den oberen Schichten der Atmosphäre nimmt nicht nur über der Antarktis, sondern auch über der nördlichen Erdhalbkugel ab. Ozon absorbiert UV-B-Strahlung. Eine Abnahme der Ozonkonzentration führt demnach zu einer Intensitätszunahme der zur Erdoberfläche durchkommenden UV-B-Strahlung. Als allgemein anerkannte Faustregel gilt: Eine Ozonverminderung um 1% führt zu einer Zunahme von 1,3 - 1,8% an UV-B-Strahlung. Bis zum Jahr 2000 muß mit einem Ozonverlust von bis zu 25% gerechnet werden.
(Weitere Informationen in dem Artikel Stratosphärische Ozonschicht und Ozonloch)

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Welche Folgen hat erhöhte UV-B-Strahlung auf die molekulare Photochemie und das Gewebe von Pflanzen

Aufgrund ihrer lichtabhängigen, wuchsortgebundenen Lebensweise werden Pflanzen durch UV-B-Strahlung besonders gefährdet. Aktuelle Untersuchungen lassen direkte Schädigungen sowie indirekte morphologische und chemische Reaktionen erkennen, die nicht nur für die einzelne Pflanze, sondern auch für ganze Pflanzengesellschaften und Ökosysteme Folgen haben können.

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UV-B-empfindliche Wirkorte in einer Pflanze

Nukleinsäuren (DNS, RNS)

Die Erbinformation tragenden Nukleinsäuren können direkt mit UV-B-Strahlung interagieren. Die Basenpaarstruktur und damit die Information der DNS kann dadurch zerstört werden.


Proteine

Enzyme (Proteine mit katalytischen Eigenschaften) können ebenfalls unter Verlust ihrer Funktion bzw. Aktivität mit UV-B-Strahlung reagieren. So kann beispielsweise Rubisco, eines der wichtigsten Enzyme von Pflanzen, welches für die Fixierung von CO2 verantwortlich ist, unter Behandlung mit erhöhter UV-B-Strahlung einen großen Teil seiner Aktivität verlieren. Neben der Inaktivierung von Enzymen wurde auch eine Verringerung der jeweiligen Proteinmenge beobachtet.

Membranlipide Lipide in Zellmembranen können durch erhöhte UV-B-Strahlung oxidiert werden, was häufig zu einer Destabilisierung der betroffenen Membranen führt. Dies ist besonders bei den Chloroplasten der Zellen und damit für jede grüne Pflanze von enormer Bedeutung, da diese Veränderungen die Photosynthese direkt beeinflussen.

Cytoskelett

Pflanzliche Zellen besitzen ein Gerüst, Cytoskelett genannt, das ihnen ihre innere Struktur gibt. Das Cytoskelett stellt ein sehr empfindliches Ziel für UV-B-Strahlung dar. Die Beschädigung des Cytoskeletts, welches für die Architektur und Regulation vieler Zellfunktionen von größter Wichtigkeit ist, gefährdet durch verändertes Zellwachstum die Morphologie der gesamten Pflanze.

Photosynthese

Produktivität und Struktur von Ökosystemen hängen zum großen Teil von der Photosynthese ab. Damit ist die Photosynthese ein physiologischer Schlüsselprozeß. Durch UV-B-Strahlung wird hauptsächlich das Photosystem 11, das einen zentralen Baustein im Ablauf der biochemischen Prozesse bei der Photosynthese darstellt, in Mitleidenschaft gezogen. Dies führt in der Regel zu einer geringeren Photosynthese und somit zu einer verminderten CO2-Fixierung.

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Auswirkung der UV-B-Strahlung auf Pflanzen

Wachstum und Morphologie

Die Reaktion von Pflanzen auf UV-B-Strahlung kann je nach Spezies in Qualität und Quantität sehr unterschiedlich sein. Zu den häufigsten beobachteten Reaktionen gehören Veränderungen in der Gesamtbiomasse, der Verteilung der Biomasse zwischen Sproß und Wurzel, dem Blühverhalten, der Pflanzenhöhe und dem Blattvolumen. So ergaben beispielsweise Experimente mit Reis, einer der wichtigsten tropischen Agrarpflanzen, für einige Sorten teilweise dramatische Biomasseeinbußen. Eine Verringerung der Pflanzenhöhe sowie des Blattvolumens reflektiert Veränderungen bei der Zellteilung und Zellverlängerung. Es konnte zum Beispiel an Sonnenblumenkeimlingen gezeigt werden, daß Indolessigsäure, ein wichtiges Wachstumshormon, bei UV-B-Einwirkung oxidiert wird und die entstehenden Reaktionsprodukte die Entwicklung hemmen.

Reproduktion

In bestimmten Wachstumsstadien, wie der Keimungsphase, sind Pflanzen besonders durch UV-B-Strahlung gefährdet, da sie noch nicht adaptiert sind und noch keine Gelegenheit hatten, Schutzmechanismen auszubilden. UV-B-Strahlung unterdrückt das Blühen oder verändert den Blühzeitpunkt. Außerdem ist beobachtet worden, daß die Produktion von Blütenstaub verhindert und somit nachhaltig die Fortpflanzung negativ beeinflußt werden kann.

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Welche molekularen Schutzmechanismen haben Pflanzen zur Verfügung

Pflanzen haben verschiedene Mechanismen entwickelt, um mit Streß fertig zu werden. Neben Licht führen auch andere Faktoren wie Temperatur, Wasser, Düngung, Verwundung, Schädlingsfraß und Schadgase zu spezifischen Abwehrreaktionen von Pflanzen. Die Streßantwort von Pflanzen reicht von physiologischen, molekularen und biochemischen Veränderungen bis zu Modifikationen der Morphologie der ganzen Pflanze. Es ist jedoch unklar, wie groß die Leistungsfähigkeit dieser Schutzreaktionen gegenüber erhöhten UV-B-Belastungen ist. Wird dieser Schutz überfordert, so kann mit irreversiblen Schäden gerechnet werden.

Schirmpigmente
UV-B-Strahlung kann spezifisch die Biosynthese spezieller Schirmpigmente induzieren. Die Schirmpigmente haben ihr Hauptabsorptionsmaximum genau im UV-Bereich und dienen daher als Schutzstoffe vor der UV-B-Strahlung.

Photolyase
Dieses Enzym kann bis zu einem gewissen Grad UV-B-geschädigte Erbsubstanz reparieren. Dieser Schutzmechanismus ist aber nicht unbegrenzt belastbar.

Epikutikuläre Wachse
Wachse der Blattoberfläche schützen die Pflanze durch Reflexion. UV-B-Strahlung kann nicht nur die Biosynthese dieser Wachse induzieren, sondern auch die Zusammensetzung derselben stark verändern.

Antioxidative Stoffe
Viele Schlüsselfunktionen einer Pflanzenzelle, die zum Beispiel mit Membranlipiden, ungesättigten Fettsäuren, Proteinen und Nukleinsäuren in Zusammenhang stehen, sind durch Oxidantien (freie Radikale oder reaktive Sauerstoffspezies) gefährdet. UV-B Strahlung kann die vermehrte Bildung dieser oxidativ wirkenden Stoffe zur Folge haben. Die Zelle hat zu ihrem Schutz verschiedene antioxidativ wirkende Mechanismen entwickelt. So wird beispielsweise Vitamin E, das freie Radikale in Membranen abfangen kann, vermehrt gebildet.

Strukturveränderungen
Viele Pflanzen reagieren auf erhöhte UV-B-Belastung mit der Ausbildung von dickeren und kleineren Blättern. Damit wird ein günstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erreicht. Diese direkte Schutzreaktion reduziert den Anteil des Gewebes, welches erhöhten Strahlungsdosen ausgesetzt ist.

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Welche Folgen hat erhöhte UV-B-Strahlung auf die ganze Pflanze sowie das Ökosystem

Ernteerträge (Kulturökosysteme)
Die Untersuchung der Auswirkung erhöhter UV-B-Strahlung in ökosystemaren Dimensionen ist im Zusammenhang mit der globalen Nahrungsmittelproduktion besonders wichtig. Die bisherigen Experimente sind jedoch schwierig zu bewerten, da besonders bei Freilandexperimenten natürliche Variationen klimatischer Parameter wie Temperatur, Luft- und Bodenfeuchte, Gaszusammensetzung oder auch Düngung und Mineralstoffversorgung mit zu berücksichtigen waren. Dennoch wurde bei über der Hälfte der Feldexperimente eine Verminderung der Ernteerträge unter erhöhten UV-B-Bedingungen festgestellt.

Nicht nur die Biomasse, sondern auch die Qualität der jeweiligen Pflanzen kann sich teilweise drastisch verändern: So konnten amerikanische Wissenschaftler zeigen, daß der Proteingehalt bei Sojabohnen unter dem Einfluß von UV-B-Strahlung stark reduziert wird. Während Basilikum vorteilhafterweise mehr ätherische Öle produziert, beginnen Bohnen sogar giftige Inhaltsstoffe zu bilden.

Natürliche Ökosysteme
Verschiedene Studien haben gezeigt, daß der Effekt zusätzlicher UV-B-Strahlung auf wilde Pflanzen und natürliche Ökosysteme stark von den bereits natürlich vorhandenen Strahlungsbedingungen abhängt. Spezies, die in großen Höhen mit viel UV-B-Strahlung beheimatet sind, erwiesen sich als resistenter als ihre Artgenossen aus niedriger gelegenen Gebieten.

In natürlichen Ökosystemen ist mit dem Ausfall besonders UV-empfindlicher Arten und der Bevorteilung UV-resistenter Pflanzen zu rechnen. Diese Veränderungen können zu einer Störung des ökologischen Gleichgewichts führen. Inwieweit diese unter Umständen globalen Umweltveränderungen auf das Leben des Menschen Einfluß nehmen werden, kann bisher nur schwer abgeschätzt, sollte aber keinesfalls unterschätzt werden.

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Literatur

Acevedo J., Nolan C.11993): Environmental UV Radiation, Commission of the European Communities, Directorate General Xll for Science, Research and Development, Bruxelles, Belgium.

Bornman J. F., Teramura A. H.11993): Effects of Ultraviolet-B Radiation on Terrestrial Plants, In: Environmental UV Photobiologie, Young A. R., Björn L.O., Moan J., Nultsch W. Ieds.), Plenum Press, New York, U.S.A., pp. 427 - 471.

Caldwell M. M., Teramura A. H., Tevini M.11989): The Changing Solar Ultraviolet Climate and the Ecological Consequences for Higher Plants, Trends in Ecology and Evolution, 4, 363 - 367.

Kendrick R. E., Kronenberg G. H. M.11994): Photomorphogenesis in Plants, Kluwer Academic Publishers, Dodrecht, Netherlands.

Simm M.11993): Giftige Bohnen, Bild der Wissenschaft, 2, 58 - 61.

Schäfer C., Schmid V.11993): Pflanzen im Lichtstreß, Biologie in unserer Zeit, 23, 55 - 62.

Stapleton A. E.11992): Ultraviolet Radiation and Plants, Burning Questions, Plant Cell, 4, 1353 - 1358.

Tevini M.11993): Effects of Enhanced UV-B Radiation on Terrestial Plants, In: UV-B Radiation and Ozone depletion: Effects on Humans, Animals, Plants, Microorganisms and Materials, Tevini M. Ied.), Lewis Publishers, Boca Raton, U.S.A., pp. 125 - 153.

Verfasser: Tim Jungblut
GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit
Institut für Biochemische Pflanzenpathologie

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