Antioxidative capacity of oak trees – Tannins as a substantial prerequisite for a provenance-specific response to drought

Schlüsselbegriffe: Quercus, Klima, Witterung, Aridität, Dürre, Baumwachstum, ROS, oxidativer Stress, antioxidatives System, Vererbung

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Abstract

Adult Sessile and Pedunculate oak (Quercus petraea Liebl. & Q. robur L.) and their offsprings were assessed for the antioxidative capacity. The antioxidative capacity is a quantitative trait for the capability of animate beings to remove reactive oxygen species by means of antioxidants. Factors were climate and weather drought constraints, oxidative load, biomembrane damage, antioxidative system and tannins.

There was substantial total antioxidative capacity of about 400 µmol ascorbate-equivalents / g dry matter in the Sessile and Pedunculate oak leaves, however, unimpacted by adverse environments (cf. Tab. 4, 5). Instead, it is correlated to total phenolics in a clearly positive way, particularly through the essential oak ellagitannins vescalagine and castalagine (cf. Fig. 3, 4). Total phenolics driven antioxidative capacity is accumulated in convenient environments and consumed in adverse situations.

When grown under common conditions offspring from humid oldgrowth stands tended to accumulate more total antioxidative capacity in a favourable environment and used it up under drought constraints. On the other hand, the saplings from arid oldgrowth stands held their total antioxidative capacity constant even in a more adverse environment (cf. Fig. 5; Tab. 8).

Zusammenfassung

Blätter von adulten Stiel- und Traubeneichen (Quercus robur L., Q. petraea Liebl.) und deren Nachkommen wurden auf ihre Antioxidantienkapazität untersucht. Die Antioxidantienkapazität quantifiziert die Fähigkeit von Lebewesen, reaktive Sauerstoffspezies mittels Antioxidantien zu beseitigen. Als Einflussfaktoren wurden Klima, Witterung, das antioxidative System und die Tannine analysiert. Es zeigte sich, dass die Antioxidantienkapazität der Stiel- und Traubeneichen nicht mit Trockenstress, Wasserstoffperoxid oder Malondialdehyd korreliert und bei durchschnittlich 400 µmol Ascorbat-Äquivalenten/g Trockensubstanz liegt. Gesamtphenole, insbesondere Vescalagin und Castalagin, bestimmen diesen Kennwert zu durchschnittlich ca. 80 %. Die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität ist bei trockener Witterung geringer. Bei einheitlichen Anzuchtbedingungen akkumulierten nur die Nachkommen humider Eichenbestände unter günstiger Wasserversorgung die Antioxidantienkapazität und verbrauchten sie unter Trockenheitsbelastung. Bei Nachkommen arider Eichenbestände hingegen erhöhte sich die Antioxidantienkapazität nicht bei reichlichem Wasserangebot, allerdings hielten diese auch unter Trockenheit ihre Antioxidantienkapazität aufrecht.

1 Einleitung

Stiel- und Traubeneiche (Quercus robur L. und Q. petraea Liebl.) haben unter allen Eichenarten eine herausragende Bedeutung für die mitteleuropäischen Wälder. Sie bedecken nach den Buchen die größten Flächen in den laubbaumgeprägten Wäldern, erwirtschaften nach wie vor die höchsten Waldreinerträge unter allen Laubbaumarten und gelten als besonders stresstolerant (Ellenberg, 1986; Phan Hoang et al., 2007; Schwanz & Polle, 2001). Diese Toleranz wird ihnen wohl im Klimawandel besonders zugutekommen (von Teufel, 2010). Eichen können trockene Standortbedingungen und insbesondere sommerliche Dürreperioden vergleichsweise unbeschadet bewältigen (Vanhellemont et al., 2019). Diese Fähigkeit hängt unter anderem von ihrem Vermögen zur Bewältigung von oxidativem Stress ab (Schwanz & Polle, 2001).

Oxidativer Stress entsteht, wenn Eichen bei sommerlichem Wassermangel ihre Stomata schließen müssen, um Luftembolien zu vermeiden (Cochard et al., 1996). Dies führt dazu, dass das Kohlendioxid im substomatären Raum bald assimiliert ist. Die Bäume übertragen dann die aktivierten Elektronen im Photosystem II unter Bildung reaktiver Sauerstoffspezies in der chloroplastidären Mehlerreaktion, der Photorespiration in den Peroxisomen und der respiratorischen Elektronentransportkette in den Mitochondrien auf molekularen Sauerstoff (Asada, 1996; Polle et al., 2006; Rennenberg et al., 2006). Die reaktiven Sauerstoffspezies, darunter das Wasserstoffperoxid (Peroxid) als bedeutendster Vertreter, greifen besonders die Biomembranen der Zellorganellen an, die irreversibel geschädigt werden (Govrin & Levine, 2000). Dabei entsteht Malondialdehyd als Abbauprodukt (Govrin & Levine, 2000). Daher ist Malondialdehyd ein aussagekräftiger Indikator für oxidativen Stress bei Pflanzen.

Um solche Schäden zu vermeiden, fangen Pflanzen die reaktiven Sauerstoffspezies in den Chloroplasten mit einem System von Antioxidantien und regenerierenden Enzymen (Foyer-Halliwell-Asada-Zyklus) und das Peroxid aus der Photorespiration in den Peroxisomen mit der Catalase ab (Asada, 1996; Rennenberg et al., 2006). Zu den Antioxidantien gehört unter anderem das Ascorbat, das unter dem Einfluss reaktiver Sauerstoffspezies leichter als die Biomembranen oxidiert (Rennenberg et al., 2006). Neben dem Ascorbat entfalten auch die hydrolysierbaren Tannine im physiologischen Bereich (neutral bis schwach sauer) eine bedeutende antioxidative Aktivität (Hagerman et al., 1998). In Eichenblättern kommen große Mengen an hdrolysierbaren Tanninen, in der Regel Ellagtannine vor (Bärlocher & Graça, 2005; Scalbert & Haslam, 1987; Scalbert et al., 1988). Die wesentlichen Ellagtannine der Eichen sind das Vescalagin und das Castalagin (Mayer et al., 1967).

Das Vermögen der Antioxidantien zur Beseitigung von reaktiven Sauerstoffspezies lässt sich als Antioxidantienkapazität quantifizieren. Die Antioxidantienkapazität gilt als Weiser für die Fähigkeit eines Organismus, widrigen Umweltbedingungen zu trotzen (Bartosz, 2003).

Allerdings berücksichtigt die Antioxidantienkapazität nicht die physiologischen Vorgänge in den Zellen, für die neben den Gehalten an Antioxidantien auch die Aktivitäten regenerierender Enzyme unabdingbar sind (Polle et al., 2006; Rennenberg et al., 2006). Vor diesem Hintergrund besteht derzeit keine abschließende Klarheit darüber, ob die Antioxidantienkapazität die Fähigkeit der Pflanzen, oxidativen Stress abzuwehren, unverzerrt widerspiegelt. Voraussetzung hierfür wäre, dass sie in einem substanziellen Zusammenhang zu den Umweltbeziehungen der Bäume steht. Deshalb ist es das erste Ziel des Beitrags, die Korrelation von Antioxidantienkapazität und Witterung, Peroxidakkumulation und/oder Malondialdehyd zu überprüfen.

Obwohl die Tannine bis zu 10 % der Trockensubstanz von Eichen ausmachen, wurden sie bisher kaum einmal in einen Zusammenhang zur Antioxidantienkapazität gestellt (Scalbert et al.,1988; Tuyen et al., 2016; Tálos-Nebehaj et al., 2017). Deshalb ist es das zweite Ziel dieses Beitrags zu prüfen, ob die phenolischen Verbindungen sowohl als Gesamtphenolgehalt als auch in ihrer Zusammensetzung unter besonderer Berücksichtigung von Vescalagin und Castalagin die Antioxidantienkapazität der Eichen beeinflussen.

Für die Praxis sind Bestrebungen von immenser Bedeutung, dem Klimawandel mit sogenannten „Trockeneichen“ zu begegnen (Glatzer & Schramm, 2010; Landesforsten Rheinland-Pfalz, 2020). Unklar blieb jedoch bisher, ob sich „Trockeneichen“ gegenüber den Bäumen von frischen Standorten durch eine erhöhte Antioxidantienkapazität auszeichnen. Das dritte Ziel des vorliegenden Beitrags ist zu untersuchen, ob aride und humide Eichenherkünfte unterschiedliche Antioxidantienkapazitäten aufweisen.

2 Methodik

2.1 Untersuchungsstandorte in drei Regionen

Adulte Eichenwälder in der Reifephase in situ und deren Nachkommen wurden im Soonwald, den Pfälzer Nordvogesen und der Oberrheinischen Tiefebene untersucht (Abb. 1; Tab. 1; vgl. auch Gauer & Aldinger, 2005). In jeder Region wurden drei Bestände unterschiedlicher Aridität ausgewählt (Abb. 1).

Die Aridität der Bestände wurde als Verhältnis von Niederschlag und Temperatur (mm/°C) definiert. Dieser Kennwert ist ein meteorologischer Parameter, der einen Hinweis auf die Wahrscheinlichkeit für Trockenstress an einem Standort gibt (de Martonne, 1926; Arbeitskreis Standortskartierung in der Arbeitsgemeinschaft Forsteinrichtung, 2016). Als klimatischer Kennwert wurde er für die Vegetationszeit von Anfang Mai bis Ende September für die 30-jährige Periode von 1981–2010 mithilfe der Daten der drei nächstgelegenen Stationen des Deutschen Wetterdienstes bestimmt (Abb. 1). Zusätzlich wurde für die Messjahre 2014 und 2015 auch die Aridität berechnet (Witterungsaridität).

In jeder Region wurden je ein arider, ein mittlerer und ein humider Eichenbestand zu sogenannten „Ariditätsreihen“ zusammengefasst, um den Einfluss des Klimas zu verdeutlichen (Abb. 1, Tab. 1, 2). Im Soonwald musste der Bestand auf dem Stalwen 2015 durch den Bestand am Güllenbacherkopf ersetzt werden, weil er durch Schwammspinnerbefall schwer in Mitleidenschaft gezogen worden war.

2.2 Feldmessungen

2.2.1 Untersuchungen in Altbeständen

Im Juni 2014 und 2015 wurde in jedem Altbestand Blattmaterial von jeweils acht vorherrschenden, nicht benachbarten Eichen gewonnen. Mithilfe der Tageswerte (Durchschnittstemperatur, Niederschlagssumme) wurde vor jedem Erntetermin die 12-Tages-Witterungsaridität bestimmt. Dem täglich wechselnden Wettergeschehen entsprechend variierten die Witterungsariditäten im Vergleich zum Vegetationszeitindex mit Werten von unter 0,1 mm/°C bis über 400 mm/°C sehr stark (Tab. 3).

Die Blattproben wurden aus den Lichtkronen der Eichen mittels Seilschleudertechnik mit einer Sägenkette entnommen. Zum Erntezeitpunkt waren alle Blätter voll ausdifferenziert. Blätter der Johannistriebe wurden nicht in Betracht gezogen. In die Untersuchungen gingen nach okularer Einschätzung ausschließlich gesunde und schadensfreie Blätter ein. Die Blätter wurden von drei Stellen der beschossenen Bäume geerntet und unverzüglich vor Ort aufgearbeitet. Zu diesem Zweck wurden die Mittelrippen der Blätter entfernt, die Blattspreiten in flüssigem Stickstoff eingefroren und ohne Unterbrechung der Kühlkette bis zur Analyse bei –80 °C aufbewahrt.

2.2.2 Versuche mit Nachkommenschaften

Im Jahr 2014 wurde ein Standortsaustauschversuch zwischen dem ariden und dem humiden Soonwaldbestand (Mockenhalde und Heidenkopf, wg. der klimatischen Vegetationszeitaridität vgl. Tab. 2) angelegt, um Herkunfts- und Witterungseinflüsse auf die Antioxidantienkapazität zu trennen. Zu diesem Zweck wurden jeweils 120 vorkultivierte Pflanzen der beiden Herkünfte in den Zielbeständen in ausreichend großen Kronenlücken ausgebracht.

Die jungen Eichen wurden am 01.09.2014 und am 02.09.2015 beerntet. Zu diesen Zeiten lagen die Witterungsariditäten zwischen 3,52 mm/°C (arider Standort 2015) und 15,18 mm/°C (humider Standort 2014; Tab. 3). An jedem Termin wurden je drei Proben der Nachkommenschaft der beiden Mutterbestände immer am frühen Vormittag vor 11 Uhr gesammelt. Die Blätter wurden vor Ort in flüssigem Stickstoff eingefroren und ohne Unterbrechung der Kühlkette bis zur Analyse bei –80 °C aufbewahrt.

Im Jahr 2015 wurde am Genressoucenzentrum Antonihof in den Pfälzer Nordvogesen (7°48‘41“O, 49°21‘45“N) ein Ariditätsversuch eingerichtet, in dem unterschiedlich aride Eichenherkünfte aus dem Soonwald unter identischen Temperaturbedingungen gezielt ariden und humiden Bedingungen ausgesetzt wurden. Zu diesem Zweck wurden vorkultivierte Pflanzen aus dem humiden Traubeneichenbestand am Heidenkopf, dem mittleren Bestand am Güllenbacherkopf und einem ariden Traubeneichenbestand (Rheingrafenstein) der Soonwaldregion innerhalb der Behandlungen vollständig randomisiert im Mai 2015 in drainierten Bodenröhren ausgebracht. Der Rheingrafenstein liegt in der Nähe der Mockenhalde und gleicht ihr standortskundlich.

Um den Niederschlag abzuhalten, wurden die Bodenröhren mit Gewächshausfolie (Folitec, Westerburg, D) in einer lichten Höhe von bis zu 2,50 m tunnelartig so überspannt, dass die Luft seitlich frei zutreten konnte. Die Pflanzen wurden bei Aridität von 40 mm/°C bzw. 10 mm/°C kultiviert. Die Wasserzugaben für die betreffenden Ariditäten wurden zweimal wöchentlich abhängig von den Temperaturen der Vortage berechnet und jedem Baum gezielt zugeteilt. Die Bäume wurden zwischen dem 07.09. und 09.09.2015 jeweils vormittags bis 11 Uhr geerntet. Je Behandlung wurden zehn Proben von voll ausdifferenzierten, gesunden und unbeschädigten Blättern gewonnen und unverzüglich in flüssigem Stickstoff eingefroren. Die Proben wurden bis zu den Analysen ohne Unterbrechung der Kühlkette bei –80 °C aufbewahrt.

Im Frühjahr 2015 und 2017 wurde der Zusammenhang zwischen Gerbstoffen und Antioxidantienkapazität in Klimakammern unter kontrollierten Umweltbedingungen untersucht. Zu diesem Zweck wurden Stieleichen aus den unterschiedlich ariden Beständen der Oberrheinischen Tiefebene in drei Klimakammern (Fitotron SGC, Weisstechnik, Reisskirchen-Lindensruth, D) unter einem günstigen Frühsommerklima in 16 cm tiefen Pflanztrays in doppelter Wiederholung (zweimal 24 Pflanzen je Herkunft x Aridität) kultiviert (Tag/Nacht: 16 h/8 h; relative Luftfeuchte 55 %/75 %; Temperatur 25 °C/16 °C; 500 ppmv CO₂; Beleuchtungsstärke ca. 550 µmol photosynthetisch aktive Strahlung/m² * s ± 10 % auf der Höhe der obersten Blätter).

Etwa drei Monate nach der Keimung wurde die Aridität auf 30 mm/°C bzw. 10 mm/°C eingestellt, sobald der erste Trieb vollständig ausgereift war. Die Pflanzen wurden weitere drei Monate kultiviert. Danach wurden von jeder Herkunft drei unabhängige Proben von voll ausdifferenzierten, gesunden und unbeschädigten Blättern gewonnen, unverzüglich in flüssigem Stickstoff eingefroren und ohne Unterbrechung der Kühlkette bei –80 °C aufbewahrt.

2.3 Biochemische Laboruntersuchungen

Das Blattmaterial wurde ohne Unterbrechung der Kühlkette unter flüssigem N2 gemörsert und nach der Extraktion 15 min bei 16 500 g und 4 °C (Antioxidantienkapazität: 0 °C) zentrifugiert. Alle Analysen wurden sechsfach wiederholt. Alle Parameter wurden auf die Blatttrockensubstanz bezogen. Die photometrischen Untersuchungen wurden auf einem CADAS 100 Spektrophotometer (Hach Lange GmbH, Bad Homburg, Deutschland) und die flüssigchromatografischen auf HP 1090 bzw. HP 1050 HPLC-UV/Vis-Systemen (Hewlett Packard, Waldbronn, D) mit Nucleodur 250 * 4,6 mm 100-5, C18 ec Säulen mit Vorsäule bei 40 °C (Macherey-Nagel, Düren, NRW, D) durchgeführt.

2.3.1 Wasserstoffperoxid, Ascorbat und Malondialdehyd

Das Wasserstoffperoxid (H₂O₂) der Blätter wurde in 1 % Trichloressigsäure extrahiert und mit der Xylenolorangemethode photometrisch bei einer Wellenlänge von λ = 560 nm quantifiziert (Jiang et al., 1990). Die Peroxid-Wiederfindungsraten lagen zwischen 89 % und 98 %. Die Ascorbat-Gehalte wurden nach saurer Extraktion (0,1 N Salzsäure, Polyvinylpolypyrrolidon im Überschuss) durch Umkehrphasen-Hochdruckflüssigchromatographie isokratisch (10 % Methanol, pH 2,0, Flussrate 1,0 ml/min) getrennt und im nahen Ultraviolettbereich (λ = 240 nm) detektiert. Die Wiederfindungsraten lagen zwischen 80 % und 91 %. Malondialdehyd wurde nach Extraktion in 100 mM Kaliumphosphatpuffer, pH 7,8 durch Reaktion mit Thiobarbitursäure (1 h bei 96 °C) photometrisch bei einer Wellenlänge von λ = 532 nm abzüglich eines unspezifischen Hintergrundes bei λ = 600 nm nachgewiesen (Peever & Higgins, 1989). Die Wiederfindungsraten lagen zwischen 84 % und 96 %.

2.3.2 Tannine

Für die Analyse der Vescalagin- und Castalagin-Gehalte wurden die Proben in 50 % Ethanol extrahiert. Die Überstände wurden bei 40 °C vakuumgetrocknet, mittels Lösung in Methanol von ihren Sacchariden befreit und aufbauend auf Scalbert et al. (1988) durch Umkehrphasen-Hochdruckflüssigchromatographie in einem linearen Wasser-Methanol-Gradienten (Laufmittel A, 100 % H2O, pH 2,0; Laufmittel B, 90 Methanol, pH 2,0, t_{0 min} = 0 % Laufmittel B, t_{30 min} = 10 % Laufmittel B; Flussrate 1 ml/min) bei 40 °C getrennt und im nahen Ultraviolett (λ = 240 nm) detektiert. Die Wiederfindungsraten lagen zwischen 93 % und 107 % (Vescalagin) bzw. zwischen 94 % und 116 % (Castalagin).

2.3.3 Antioxidantienkapazität

Für die Antioxidantienkapazität wurden die Proben in 100 mM Kaliumphosphatpuffer, pH 7,8 mit 50 % Ethanol extrahiert. Die Antioxidantienkapazität wurde nach der Methmyoglobinmethode photometrisch über die antioxidantienbedingte Verzögerung der radikalgetriebenen 2,2'-Azino-di-(3-ethylbenzthiazolin-6-sulfonsäure)-Färbung bei einer Wellenlänge von λ = 560 nm analysiert (Hagerman, 2002). Sie wurde auf Ascorbat als Referenzsubstanz bezogen und als Ascorbat-Äquivalente dargestellt. Die Wiederfindungsraten lagen zwischen 78 % und 102 %.

Der Gesamtphenol-Anteil an der Antioxidantienkapazität wurde als Differenz von Proben ohne und mit Polyvinylpolypyrrolidon im Extraktionsmedium hergeleitet, weil diese Substanz Phenole bindet und aus den Extrakten entfernt. Das Polyvinylpolypyrrolidon lag im Überschuss 1 : 2 (Blattmasse : Polyvinylpolypyrrolidon, m/m) vor. Allerdings bindet das Polyvinylpolypyrrolidon die Phenole nicht vollständig. Deshalb wurde die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität um Gesamtphenol-Restmengen in den Extrakten berichtigt. Dazu wurde Gesamtphenol nach halbstündiger Extraktion in 50 % Ethanol bei 4 °C photometrisch mittels Folin-Ciocalteu-Reagenz bei einer Wellenlänge von λ = 750 nm als Gallsäureäquivalente bestimmt (Böhm et al., 2013). Die Wiederfindungsraten lagen bei durchschnittlich 88 %.

2.4 Statistische Analysen

Die biometrischen und physiologischen Parameter wurden mithilfe des SPSS-Statistik-Programms (IBM® SPSS® statistics Version 22, Armonk, NY, USA) als abhängige Faktoren zu diskret und kontinuierlich verteilten unabhängigen Einflussgrößen der Eichen und der Umwelt in Beziehung gesetzt. Die Signifikanzniveaus lagen einheitlich bei α ≤ 0,05.

Der Einfluss diskret verteilter Umweltfaktoren wurde in Gruppenvergleichen untersucht. Zu diesem Zweck wurden alle Stichproben mit N ≥ 10 mittels Kolmogorov-Smirnov-Tests auf ihre Verteilungseigenschaften hin eingeschätzt. Für kleinere Stichproben wurde auf eine Prüfung der Normalverteilung verzichtet, weil solche Tests nicht aussagekräftig sind. Normalverteilte Stichproben ließen ein- und mehrfaktorielle Varianzanalysen, ggfs. mit post-hoc-Scheffé-Test zu, nicht normal verteilte Stichproben wurden anhand Kruskal-Wallis-Tests analysiert. 

Der Einfluss stetig verteilter Baum- und Umweltfaktoren wurde in linearen und nicht linearen Regressionen analysiert. Die Validität der Regression wurde anhand der Residuen und die Anpassungsgüte mithilfe des Bestimmtheitsmaßes (r²) beurteilt. Das r² kennzeichnet den Anteil der Streuung der abhängigen Variablen, den die unabhängige Variable erklärt. Nur solche Regressionen, deren Steigung sich signifikant (α ≤ 0,05) von null unterschied, wurden weiter in Betracht gezogen.

3 Ergebnisse

3.1 Antioxidantienkapazität, Antioxidantien, oxidative Belastung und Witterung

Die Stiel- und Traubeneichenblätter der vorliegenden Untersuchung wiesen mit durchschnittlich fast 400 µmol Ascorbatäquivalenten/g Trockensubstanz regelmäßig erhebliche Antioxidantienkapazitäten auf (Tab. 4). Diese Kapazitäten stammen in der vorliegenden Untersuchung jedoch nur zu circa 5 % vom Ascorbat, während der Großteil der Antioxidantienkapazität auf andere Substanzen zurückzuführen ist (Tab. 4).

Die Antioxidantienkapazität der adulten Stiel- und Traubeneichen und ihrer Absaaten unter Freilandbedingungen korrelierte weder mit der klimatischen Vegetationszeitaridität oder der Witterungsaridität noch mit den Blattgehalten an Wasserstoffperoxid, Ascorbat oder Malondialdehyd (Tab. 5).

3.2 Antioxidantienkapazität und Gerbstoffe

Bei den Stiel- und Traubeneichen der vorliegenden Untersuchung machte der auf den Gesamtphenolen beruhende Anteil der Antioxidantienkapazität über 80 % der gesamten Kapazität aus (Tab. 4). Die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität ließ sich bei den adulten Stiel- und Traubeneichen zu fast 70 % aus der Witterungsaridität erklären. Sie nahm bei aridem Wetter ab, während sie sich unter günstigen Bedingungen einem Maximalwert annäherte (Abb. 2 A). Auch die juvenilen Traubeneichen des Standortsautauschexperimentes wiesen signifikant mehr Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität auf, wenn das Wetter vor der Blatternte kühl-humid war (Abb. 2 B). 

Der Einfluss der Witterungsaridität auf die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität ließ sich aber zumindest in der vorliegenden Untersuchung nicht auf die Gehalte an Wasserstoffperoxid oder Malondialdehyd zurückführen (Tab. 6). Andererseits hängt die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität eng mit Vescalagin und Castalagin zusammen. Diese beiden Tannine bestimmten den Kennwert direkt proportional zu fast 50 % (Abb. 3). In den adulten Stiel- und Traubeneichen lässt sich das sogar auf der Ebene der Einzelbäume nachvollziehen (Abb. 4).

3.3 Antioxidantienkapazität und Pflanzenherkunft

In Ariditätsuntersuchungen im Pflanzgarten wurden junge Eichen gezielt ariden Bedingungen ausgesetzt. Zum Erntezeitpunkt der Blätter hatte erhöhte Aridität die Bodenfeuchte signifikant verringert, die Blattwasserpotenziale ansteigen lassen und je nach Herkunft zu erhöhten Wurzelanteilen geführt (Tab. 7).

Bei günstigem Wasserhaushalt reihten sich im Pflanzgarten unter ansonsten identischen Freilandbedingungen die Antioxidantienkapazitäten der Traubeneichen-Absaaten ihren Herkunftsariditäten nach auf. Die Pflanzen aus humider Herkunft hielten unter günstigen Freilandbedingungen höhere Kapazitäten als die ariden vor (Abb. 5). Die gleiche Tendenz zeigten die Stieleichen-Nachkommen aus Nordbaden in den Klimakammerexperimenten (Tab. 8).

In den Freiland-Ariditätsuntersuchungen nahm die Antioxidantienkapazität der Nachkommen aus humider Herkunft unter ariden Bedingungen ab, während die Pflanzen aus den arideren Beständen sich in dieser Hinsicht nicht signifikant veränderten (Abb. 5). In den Klimakammerexperimenten veränderte sich die Antioxidantienkapazität der humiden Herkunft bei Trockenheit nicht, während sie in der ariden Herkunft deutlich anstieg (Tab. 8).

4 Diskussion

4.1 Die Antioxidantienkapazität ist kein Ausdruck des Foyer-Halliwell-Asada-Zyklus

Die Stiel- und Traubeneichenblätter der vorliegenden Untersuchung wiesen erhebliche Antioxidantienkapazitäten auf (vgl. Tab. 4). Dies stimmt mit den Ergebnissen eines Freilandexperiments an rheinland-pfälzischen Traubeneichenherkünften überein (Ruckteschler, 2013). Im Gegensatz dazu haben wässrige Extrakte aus getrockneten Stieleichenblättern allenfalls eine schwache antioxidative Kapazität, während sich in Steineichenblättern (Quercus ilex L.) eine der vorliegenden Studie vergleichbare Antioxidantienkapazität findet (Bursal & Boğa, 2018; Omari et al., 2003).

Allerdings ließ sich nur ein geringer Anteil davon auf Ascorbat zurückführen (vgl. Tab. 4). Damit übereinstimmend machte das Ascorbat auch in Himbeerfrüchten weniger als 10 % der Antioxidantienkapazität aus (Deighton et al., 2000). Die Deutung des Ascorbats für die Antioxidantienkapazität berücksichtigt jedoch nicht die regenerierenden Enzyme des Foyer-Halliwell-Asada-Zyklus, sodass die Antioxidantienkapazität den Ascorbat-Beitrag zur Abwehr von oxidativem Stress möglicherweise unterschätzt (s. o., Polle et al., 2006). Für diese Annahme sprechen Transcriptomanalysen trockengestresster Stiel-, Flaum- und Steineichen, in denen eine Zunahme der Boten-Ribonucleinsäure entsprechender Gene bei Trockenheit beobachtet wurde, sowie Untersuchungen an spanischen Steineichenblättern, bei denen die Antioxidantienkapazität mit einer Zunahme hydrophiler Antioxidantien auf die mittägliche Reduzierung des Xanthophyllzyklus reagierte (Madritsch et al., 2019; Omari et al., 2003).

Im Gegensatz dazu korrelierte die Antioxidantienkapazität der adulten Stiel- und Traubeneichen und ihrer Absaaten unter Freilandbedingungen nicht mit witterungsbedingten Belastungen (vgl. Tab. 5). Offensichtlich gibt die Antioxidantienkapazität nicht die Pflanzenantwort auf die oxidative Belastung, die Antioxidantienabundanz oder die Membranschäden wieder. Sie spiegelt trotz der Beiträge von Antioxidantien die Stressantwort der Bäume nicht im Sinne des Foyer-Halliwell-Asada-Zyklus wider.

4.2 Die Gerbstoffe bestimmen die Antioxidantienkapazität als Umweltantwort

Bei den Stiel- und Traubeneichen der vorliegenden Untersuchung ließ sich der größte Teil der Antioxidantienkapazität auf phenolische Substanzen zurückführen (vgl. Tab. 4). Nahezu identische Anteile fanden sich in verschiedenen rheinland-pfälzischen Traubeneichenherkünften (Ruckteschler, 2013). Auch in der Rinde von Traubeneichen korrelieren in der Regel hohe Gesamtphenol-Gehalte mit einer hohen Antioxidantienkapazität, ebenso in Blattextrakten asiatischer Eichen und in den Früchten der Himbeere (Hofmann et al., 2014; Tuyen et al., 2016; Deighton et al., 2000). Die vorliegende Untersuchung dürfte jedoch die erste sein, die den Zusammenhang zwischen Gesamtphenolen und Antioxidantienkapazität nicht nur korrelativ, sondern auch experimentell konsistent beleuchtet.

Für die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität erwies sich die Witterungsaridität als bestimmend (vgl. Abb. 2 A, B). Der Einfluss der Witterungsaridität ließ sich nicht auf die Gehalte an Wasserstoffperoxid oder Malondialdehyd zurückführen (vgl. Tab. 6). Offensichtlich bestimmt die Witterung diesen Kapazitätsteil nicht auf der Ebene der oxidativen Belastung oder der Membranschäden. Vielmehr hing die Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität von den Blattgehalten an Vescalagin und Castalagin ab (vgl. Abb. 3, 4). Vescalagin und Castalagin korrelieren in den Blättern adulter Traubeneichen zur Zeit der Blattreifung eng mit der Witterung (Bleh & Seegmüller, 2021). Dementsprechend kommt der vorliegende Beitrag zu dem Schluss, dass die witterungsbedingte Änderung der Blattgehalte an Vescalagin und Castalagin die Witterungsabhängigkeit der Gesamtphenol-Antioxidantienkapazität erklärt.

4.3 Die Herkunft bestimmt die Antioxidantienkapazität 

Bei günstiger Wasserversorgung zeigten die Eichen von humiden Mutterbeständen die höchsten Antioxidantienkapazitäten (vgl. Abb. 5, Tab. 8). Bekannt war bisher, dass unterschiedliche Eichenarten durchaus differenzierte Antioxidantienkapazitäten zeigen (Tálos-Nebehaj et al., 2017; Tuyen et al., 2016). Neu ist nun die Beobachtung, dass solche Differenzen auch innerhalb der Arten je nach dem Klima der Mutterbestände auftreten können.

Bei Trockenheit hielten nur die Nachkommenschaften arider Mutterbestände ihre Antioxidantienkapazität aufrecht oder erhöhten sie sogar noch, während die Absaaten aus humiden Eichenwäldern an Kapazität verloren (vgl. Abb. 5, Tab. 8). Wie Standortsaustauschexperimente mit Stiel- und Traubeneichen aus dem Soonwald, den Pfälzer Nordvogesen und aus Nordbaden in den Jahren 2017 und 2018 gezeigt haben, lässt sich das auf Ascorbat, Vescalagin und Castalagin zurückführen: Humide Eichenherkünfte akkumulieren unter günstigen Umweltbedingungen Vescalagin und Castalagin und weisen unter arideren Bedingungen nur geringe Gehalte an diesen Substanzen auf, während aride Herkünfte unter widrigen Umständen mehr Ascorbat anhäufen (Bonin, 2019). Offenichtlich reproduzieren die Nachkommenschaften spezifische elterliche Reaktionsmuster gegenüber Trockenheit. Die Muster könnten auf zwei Wegen sichtbar werden:

i) Nur die Eichen aus humider Herkunft akkumulieren bei günstiger Wasserversorgung Tannine, um sie bei ungünstigen Verhältnissen zu verbrauchen (Arab et al., 2019, 2020), oder 

ii) nur die ariden Eichenherkünfte aktivieren mit zunehmender Aridität die Synthesekapazität für niedermolekulare Tannine, um den erhöhten Verbrauch an Vescalagin und Castalagin zur Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies zu kompensieren.

Grundsätzlich haben unterschiedliche Stressantworten mehrerer Herkünfte auf einheitlichen Standorten in Pflanzgartenexperimenten und bei Versuchsanbauten genetische Ursachen (Soliani et al., 2021). Das legt den Schluss nahe, dass die Eichen ihren jeweiligen Umgang mit ungünstigen Witterungsbedingungen in der Antioxidantienkapazität an ihre Nachkommen weitergeben. Aride und humide Eichenherkünfte unterscheiden sich in dieser Hinsicht grundlegend. Trotz der mehrfachen Belege sollte diese Schlussfolgerung jedoch nicht als abschließender Nachweis gewertet werden, sondern lediglich als Anregung für genauere Untersuchungen.

Danksagung

Der vorliegende Beitrag ist als Teil des Waldklimafondsprojekts 22WB400201 „Anpassungsvermögen und Wirt-Parasit-Beziehungen der Eichen im Klimawandel“ (APEK) entstanden. Die FAWF bedankt sich beim Waldklimafonds für die Projektförderung. Die Artzugehörigkeit der Soonwald- und Vogeseneichen wurde mittels Mikrosatelliten molekulargenetisch im Waldklimafonds-Projekt AQUAREL (22WK413502) nachgewiesen. Die AutorInnen bedanken sich für die betreffenden Untersuchungen bei Frau Dr. B. Fussi (Bayrisches Amt für Waldgenetik, Teisendorf, D). Prof. Dr. H. Rennenberg (Professur für Baumphysiologie, Universität Freiburg, D) und Prof. Dr. S. Kins (Fachbereich Biologie, Fachgebiet Human Biology/ Neurobiology, Technische Universität Kaiserslautern, D) haben das Manuskript kritisch geprüft und den AutorInnen mit wertvollen Hinweisen weitergeholfen. Die FAWF bedankt sich ebenfalls bei ihnen für die Unterstützung.

Literatur

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