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Pflanzen und Frost


 

Warum müssen sich Pflanzen überhaupt an Frost anpassen?

Steigt oder sinkt die Umgebungstemperatur um eine Pflanze über oder unter einen (arttypischen oder auch individuellen) Wert, so beantwortet die Pflanze dies mit einer Streßreaktion. Diese ist zunächst nur ein Alarmverhalten des Organismus. Das Protoplasma in Pflanzenzellen reagiert aus einen solchen Streß mit einem überdrehten Stoffwechsel, um z.B. bereits eingetretene Defekte zu reparieren. Erst wenn die Streßreaktionen der Pflanze die Defekte nicht mehr auffangen können, beginnt das Absterben der Pflanze. Dies kann der Fall sein, wenn durch ein abruptes Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Schwellentemperatur das Protoplasma der Pflanze plötzlich getötet wird. Dies tritt aber auch ein, wenn z.B. durch Temperaturschwankungen der Ablauf der lebenswichtigen Funktionen In der Pflanze derart aus dem Gleichgewicht gebracht wird, daß sie schließlich nicht mehr in der Lage ist, lebenswichtige Prozesse in Gang zu halten.

Für jede Pflanze gibt es einen Temperaturbereich, innerhalb dessen sie zu optimaler Leistung fähig ist. Die Außentemperatur darf nicht zu warm sein, sonst erhält die Pflanze einen Hitzeschock und stirbt im Extremfall ab. Sie darf aber auch einen bestimmten Bereich nicht unterschreiten, da die Pflanze sonst ebenfalls Schaden nimmt und absterben kann.

Dieser Temperaturbereich ist nicht für alle Pflanzenarten gleich. So gibt es Pflanzen, die in z.B. Wüstenregionen leben können und sehr heißen Temperaturen trotzen, in denen Arten aus kühleren Lebensräumen zugrunde gehen würden. Transportierte man aber diese Arten in kältere Lebensräume, würden sie den ersten Winter nicht überstehen, der dagegen an den heimischen Arten ohne Schaden anzurichten vorübergeht. Bei Pflanzen aus gemäßigten Breiten setzt das Streckungswachstum des Sprosses bei Temperaturen kurz über dem Gefrierpunkt ein, bei tropischen Arten erst bei 12 - 15°C.

Aber auch innerhalb einer Art ist die Temperaturempfindlichkeit auf einen genauen Wert festgelegt. Läßt man z.B. zwei Bohnenpflanzen in zwei unterschiedlich geheizten Räumen aufwachsen, so kann man in Versuchen ermitteln, daß die Pflanze aus dem kälteren Aufzuchtraum gegenüber niedrigen Temperaturen besser abgehärtet ist als ihre Artgenossin aus dem wärmeren Raum. Dagegen nimmt sie bei höheren Temperaturen eher Schaden.

Geht man noch einen Schritt weiter, so kann man in Experimenten bestätigt finden, daß ein und dieselbe Pflanze im Sommer eine andere Temperaturempfindlichkeit besitzt als im Winter. Sie ist in der Lage, sich selbst gegen warme und gegen kalte Temperaturen abzuhärten.

Pflanzen eine geringere Umgebungstemperatur, um Blüten auszubilden als z.B. um Früchte und Samen reifen zu lassen. Daher ist es in kalten Regionen mit kurzer Vegetationsperiode von Vorteil für Pflanzen, sich durch Ausläufer und andere vegetative Vermehrung den Fortbestand zu sichern. Die Kälte-wüsten der Arktis werden daher fast ausschließlich von Kryptogamen besiedelt.

Viele Pflanzen aus kalten Regionen bilden Samen aus, die erst nach Frosteinwirkung keimen(Frostkeimer), womit verhindert wird, daß bereits im Herbst reife Samen auskeimen und im Winter zugrunde gehen.

Auch biochemische Vorgänge in der Pflanze sind temperaturabhängig, so z.B. die Fixierung und der Abbau des fixierten Kohlendioxides und die Dunkelatmung verlaufen gemäß einer Temperatur-Optimumskurve, d.h. sie kommen bei zu geringen oder zu hohen Temperaturen zum Erliegen, verlaufen in einem Bereich optimaler Temperatur mit größtmöglicher Geschwindigkeit. Die CO2-Aufnahme wird meistens ab der Temperatur blockiert, ab der die Assimilationsorgane anzufrieren beginnen, das entspricht bei den meisten Sproßpflanzen einer Temperatur von -1° bis -3°C, bei Pflanzen aus Kälteregionen oder Winterpflanzen bis zu -7°C.

Literatur:

Breckle, Heinrich, S. Breckle (1986): Ökologie der Erde. Bd. 3: Spezielle Ökologie der gemäßigten und arktischen Zonen Euro-Nordasiens. Gustav Fischer Verlag Stuttgart. S. 94 - 124, 491 - 527

Breckle, Heinrich, S. Breckle (1991): Ökologie der Erde. Bd. 4: Spezielle Ökologie der gemäßigten und arktischen Zonen außerhalb Euro-Nordasiens. Gustav Fischer Verlag Stuttgart. S. 485 - 511

Larcher, Walter (1980): Ökologie der Pflanzen auf physiologischer Grundlage. Ulmer Verlag Stuttgart

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Welche Wirkung hat Frostschädigung auf Pflanzen?

Wenn im Frühling bei uns die Obstbäume durch einen Spätfrost überrascht werden, bekommen sie in kurzer Zeit braune Blätter (wenn diese schon ausgetrieben waren), und die angesetzten Blüten werden braun und fallen ab. Warum? Was geschieht in einer solchen Pflanze?

Schädigung der Photosynthese und des Stoffwechsels

Die erste Schädigung bei kalten Temperaturen ist die, daß die Plasmaströmung in den Zellen zum Erliegen kommt. Dann wird die Aktivität der Photosynthese herabgesetzt und die Chloroplasten werden geschädigt. Die Folge ist eine nachhaltige und sogar bleibende völlige Hemmung der Photosynthese, ohne die die Pflanze nicht leben kann. Im Endstadium der Schädigung brechen die Zellen umgebenden Biomembranen zusammen, so daß sie als selektive Barriere zwischen dem Innern und dem Äußeren der Zellen nicht mehr fungieren können, die Thylakoide der Chloroplasten kollabieren und der Zellsaft, das Protoplasma, tritt aus dem Inneren der Zelle in die Interzellularräume.

Frosttrocknis innerhalb der Pflanze

Aber auch das direkte Gefrieren der Pflanzensäfte ist für die Pflanze verhängnisvoll: Dabei gefriert meist nicht das Protoplasma in der Pflanzenzelle (intrazelluläre Eisbildung), das wird oft durch die darin gelösten Stoffe verhindert, sondern die Flüssigkeit in den Interzellularen (extrazelluläre Eisbildung). Das so gefrorene Wasser entzieht den Protoplasten Wasser, als wäre es nicht Eis, sondern trockene Luft; die Protoplasten schrumpfen zusammen. Dadurch wird die Konzentration von den intrazellulär gelösten Stoffen sehr hoch, so daß sie für den Protoplasten eine toxische Grenze überschreiten können. Dieser stirbt dann ab. Frost wirkt also auf diese Weise ähnlich wie Trockenheit.

Frosttrocknis außerhalb der Pflanze

Nicht vergessen darf man, daß für die Pflanzen, die in einer Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt stehen, nach einiger Zeit auch der durchwurzelte Boden gefroren ist, und somit auch das in ihm enthaltene und von der Pflanze benötigte Wasser. Dadurch befindet sich die Pflanze, die sich in einem gefrorenen Boden befindet (erst recht ohne vor Transpiration schützende Schneedecke), in derselben Situation wie eine Wüstenpflanze, die in einem völlig trockenen Boden steht. Sie muß auf diesen Wassermangel auch eingestellt sein.

Literatur:
Larcher, Walter (1980): Ökologie der Pflanzen auf physiologischer Grundlage. Ulmer Verlag Stuttgart

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Wie passen sich Pflanzen an Frost an?

Die Fähigkeit von Pflanzen, Hitze oder Kälte ohne Schaden zu überdauern, nennt man Temperaturresistenz. Sie besteht einerseits aus der Fähigkeit des Protoplasmas, Temperaturextreme, ohne Schaden zu nehmen, zu überleben, und andererseits aus den Maßnahmen der Pflanze, extreme Temperaturen bis zu den Zellen, die Schaden nehmen könnten, vordringen zu lassen.

Anpassung durch Isolation:

(mögliches Ziel eines Verweises Isolation)

Blüten- und Sproßknospen werden von älteren Organen der Pflanze (Sprossen / Blättern) umschlossen, z.B. typisches Beispiel die Schopfrosettenpflanzen (q Verweis auf die Seite Konvergenzen) der tropischen Hochgebirge.

Anpassung durch die Verzögerung der Eisbildung in den Interzellularen:

Durch die Einlagerung von wasserbindenden Stoffen (z.B. Zucker) wird der Gefrierpunkt der Pflanzensäfte herabgesetzt, so daß das Wasser in den Interzellularen nicht ganz so schnell gefriert. (mögliches Ziel eines Verweises Gefrierpunktsdepression) Auch beim Protoplasma kann eine solche Gefrierpunktsdepression vollzogen werden, hier sogar viel effektiver als für die Interzellularen. Kann das Wasser in diesen nur bis wenige Zehntelgrade unter Null abgekühlt werden, ohne zu gefrieren (oft zu große Wasservolumen), ist es in der Zelle oft bis zu -1, sogar bis zu -5°C unterkühlbar.

Anpassung durch Abhärtung:

Dies ist ein in Phasen ablaufender und als Reaktion auf die Außentemperaturen erfolgender, schrittweiser Prozeß, der in Pflanzen nach dem Streckungswachstum eingeleitet werden kann:

  1. Zucker und andere hygroskopisch wirkende Schutzstoffe werden in den Protoplasten eingelagert. Wasser aus den Zellen ausgelagert.
  2. Strukturen von Biomembranen und Enzymen werden so umgebildet, daß die Zellen den Wasserentzug durch die Eisbildung in den Interzellularen vertragen können.
  3. Erlangung hoher Frostbeständigkeit des Protoplasten.

 

Literatur:

Larcher, Walter (1980): Ökologie der Pflanzen auf physiologischer Grundlage. Ulmer Verlag Stuttgart

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