Umweltwissenschaften

Biodiversität dank Blattläusen

In der Schweiz gibt es rund 4300 Pflanzenarten. Theorien, wie diese Diversität entsteht, gibt es viele, experimentelle Beweise dafür jedoch kaum. Der Doktorand Tobias Züst untersucht im Labor, wie eine natürlichen Vielfalt innerhalb einer Pflanzenart entstehen kann und welche Rolle Pflanzenschädlinge dabei spielen.

Petra Bättig3 Kommentare

Blattlaus: Verändert sie durch ihr Fressverhalten die Zusammensetzung einer Pflanzenpopulation? (Bild: Tobias Züst)

Was tun, wenn man vor dem Feind nicht einfach davonlaufen kann, weil man fest im Boden verwurzelt ist? Pflanzen haben sich dazu einiges einfallen lassen. Dornen oder Haare sind sichtbare Abwehrmechanismen, aber auch mit chemischen Stoffe versuchen Pflanzen zu verhindern, dass sie gefressen werden.

Allerdings hat diese Verteidigung ihren Preis: Die dafür verwendete Energie fehlt beim Wachstum oder bei der Samenproduktion. Selbstverteidigung lohnt sich deshalb nur, wenn der Feind wirklich kommt. Denn in Jahren mit schwachem Schädlingsbefall sind Pflanzen ohne Selbstverteidigung erfolgreicher: Sie wachsen schneller und können mehr Samen produzieren.

Trotzdem hat es im Laufe der Zeit immer wieder Pflanzen gegeben, die durch zufällige genetische Veränderungen mehr Abwehrstoffe produziert haben. Ohne Schädlinge wären diese Pflanzen wieder verschwunden. Die unbeständige Bedrohung durch natürliche Feinde scheint deshalb eine Ursache für die grosse Vielfalt innerhalb einer Art zu sein.

Soweit die Theorie. Direkte Beweise dafür gibt es nämlich kaum, und im Labor beobachtet hat man dieses Phänomen auch nicht direkt. Evolution findet nämlich nicht von heute auf morgen statt, sondern wird erst über viele Generationen sichtbar.

Tobias Züst, Doktorand am Institut für Umweltwissenschaften der Universität Zürich, benutzt deshalb für seine Experimente einen Trick. Da die Entstehung von neuen Arten zu lange dauert, geht er den umgekehrten Weg und beobachtet, wie eine Art verschwindet. Er untersucht, ob Blattläuse die Zusammensetzung einer künstlichen Population von verschiedenen Sorten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana verändern, indem sie einige bevorzugt fressen und dabei ausrotten.

Evolution im Labor

Dazu hat sich der Ökologe aus dem Katalog eine Population von 30 unterschiedlichen Typen von Arabidopsis, so genannten Pflanzenlinien, zusammengestellt. Sie enthalten unterschiedlich hohe Konzentrationen verschiedener chemischer Abwehrstoffe und haben zum Teil Haare, zum Teil nicht.

Tobias Züst: Der jüngste Doktorand am Institut für Umweltwissenschaften, im Hintergrund seine Versuchspflanzen. (Bild: Petra Bättig)

Jeweils 800 Samen, also rund 20 bis 30 pro Linie, sät er in einzelne Plastikschalen. In jeder Schale entsteht so eine praktisch identische Pflanzenpopulation, auf die er zwei Wochen nach der Keimung je sechs Blattläuse setzt. Im Experiment verwendet er drei verschiedene Blattlausarten je einzeln und gemeinsam, eine Schale bleibt als Kontrolle schädlingsfrei.

Innerhalb der nächsten Tage vermehren sich die Blattläuse fast exponentiell. So sind bald die meisten Pflanzen befallen und bereits nach neun Wochen haben die Pflanzen Samen gebildet und können geerntet werden. Von diesen Samen werden wieder je 800 abgezählt, ausgesät und mit denselben Blattläusen infiziert. Gleichzeitig entnimmt der Forscher Blattproben, um darin die Konzentration der Abwehrstoffe zu messen.

Forscher und Bastler

Das Experiment läuft über fünf Pflanzengenerationen. «Nach dieser Zeit sollten wir sogar schwache Effekte sehen können, da sich diese mit jeder Generation addieren», erklärt Züst.

Aufgrund der Theorie nimmt er an, dass in den Populationen ohne Blattläuse vor allem schnell wachsende Pflanzen viele Samen produzieren, während sich bei den Populationen mit Blattläusen eher die Pflanzen durchsetzen werden, die dank hohen Mengen an chemischen Abwehrstoffen gut geschützt sind.

Offen ist, was beim «Blattlausspezialisten» passiert. Diese Blattlausart kann die chemische Abwehr gezielt umgehen und sogar zum eigenen Vorteil nutzen, indem sie die giftigen Stoffe einlagert und sich damit selbst, zum Beispiel vor Marienkäfern, schützt. «Wie sich diese Population im Vergleich zur Kontrolle ändert, können wir noch nicht genau abschätzen», sagt der Doktorand.

Es sind nicht nur diese Gedankenspiele, die ihn an seiner Arbeit faszinieren. «Ich bin auch ein Bastler und pröble gern am Versuchsaufbau herum», sagt er. Die Glaskästen hat er selbst entworfen. Sie hindern die Blattläuse daran, zwischen den Pflanzenpopulation hin- und herzuwandern.

Bei jedem dieser Kästen hat er zudem eine Lüftung eingebaut. Die Blattläuse scheinen die etwas trockenere Umgebung zu schätzen und sind seither weniger anfällig für Pilzkrankheiten.

Auf der Überholspur

Tobias Züst wollte schon immer Forscher werden. Bereits nach der Matura hat er zum ersten Mal am Institut für Umweltwissenschaften gearbeitet und gleich eine erste wissenschaftliche Publikation geschrieben. Seither sei er hier «irgendwie hängen geblieben».

Das ist allerdings eine bescheidene Umschreibung. Schliesslich ist er der erste Doktorand an der Universität Zürich, der direkt nach dem Bachelor seine Doktorarbeit begonnen hat und – praktisch nebenbei – den Master nachholt. So hofft er, dass er bereits mit 26 Jahren nicht nur das Studium, sondern mit Hilfe des Forschungskredits auch sein Doktorat abgeschlossen hat.

Klar ist, dass er danach weiter in der Wissenschaft arbeiten möchte. Er geniesst die Abwechslung, das Tüfteln und die vielen Freiheiten und ist überzeugt, «alles andere wäre mir wahrscheinlich zu langweilig. Ich kann mir eine andere Arbeit als Forschen gar nicht mehr vorstellen!»

Forschungskredit Mit Beiträgen aus dem Forschungskreditfördert die Universität Zürich Nachwuchskräfte durch die Finanzierung eines Forschungsprojekts von hervorragender wissenschaftlicher Qualität. Gefördert werden Angehörige der Universität Zürich, die am Anfang ihrer akademischen Karriere stehen und ein Dissertations-, Postdoc- oder Habilitationsprojekt an der Universität durchführen möchten. Der Forschungskredit unterstützt die Forschungsprojekte namentlich mit Salärbeiträgen. Zusätzlich beantragt werden können Beiträge an Sachmittel, die für die Durchführung des Projekts notwendig sind.

Petra Bättig ist Kommunikations-Verantwortliche bei Konsortium-weizen.ch

3 Leserkommentare

Petra Bättig schrieb am Nutzen offensichtlich Der Kommentar von Frau Wipf überrascht - schliesslich kann man heute fast täglich irgendwo lesen, dass die Biodiversität bedroht sei und besser geschützt werden müsse. Es scheint sinnvoll, dass man zuerst versucht zu verstehen, wie die Biodiversität entsteht. Erst dann können wirkungsvolle Massnahmen zu deren Schutz entwickelt werden. Zu diesem Verständnis will Tobias Züst mit seiner Arbeit beitragen. Ob dies nun Grundlagenforschung sei oder nicht, so kurzsichtig darf Forschung nicht beurteilt werden!
Jacqueline Wipf schrieb am Schön, wenn Junge durchstarten - wo sind aber die Schwerpunkte? Wie bereits gesagt, auch solche Forschung mag wichtig sein. Einen praktischen Nutzen sehe ich aber hier keinen. Da wir ohnehin begrenzte Finanzmittel haben, sollten diese für Forschung mit direktem praktischen Nutzen - oder dann Grundlagenforschung - eingesetzt werden.
Reto Meyer schrieb am empirische Forschung Naja, der Artikel mangelt etwas an Objektivität. Natürlich kann ein Doktorstudium in diesem Bereich nie mit einem in Mathematik oder Physik verglichen werden, da dort viel mehr die Theorie zuerst aufgebaut werden muss. Bei Hr. Züst geht es um Empirie. Zudem hat der Master dort nur ein Semester Lektionen, und die Master Arbeit darf sogar für die Doktorarbeit verwendet werden. Natürlich ist auch solche Forschung wichtig und ein Experiment zu designen, ist auch nicht ganz ohne. Intellektuell aber kann solch eine Arbeit niemals mit anderen Richtungen, wie Mathematik oder Physik, verglichen werden.

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