Warum der Boden – nicht die Pflanze – die Wasseraufnahme bei Dürre begrenzt

Pflanzen wirken ruhig und unbeweglich – doch in ihrem Innern ist Wasser ständig unterwegs. Es kommt aus dem Boden, wird über die Wurzeln aufgenommen, steigt durch Stängel und Stamm nach oben und erreicht schliesslich die Blätter weit über dem Boden.

Das gilt selbst für hohe Bäume: Dort steigt Wasser über mehr als 10 Meter gegen die Schwerkraft. Angetrieben wird dieser Aufwärtsstrom durch ein negatives Wasserpotenzial – eine Art Sog, der das Wasser nach oben zieht.

Aber dieser Zug hält nicht unbegrenzt an. Sobald der Boden austrocknet, kippt das System: Zuerst wird der Fluss langsamer, dann bricht er ganz ab.

Lange versuchten Forschende zu verstehen, wo genau diese Grenze entsteht. Gibt die Pflanze irgendwann „auf“ – oder greift ein anderer Faktor ein?

Der verborgene Kampf im trockenen Boden

Wasser liegt im Boden nicht einfach frei vor. Es haftet in winzigen Hohlräumen zwischen den Bodenpartikeln, den sogenannten Poren. Diese Poren verhalten sich wie sehr enge Röhrchen: Kapillarkräfte halten das Wasser darin fest.

„Wenn der Boden trocknet, nehmen die kapillaren und viskosen Kräfte in den Poren zu – und für Pflanzen wird es schwieriger, Wasser aus dem Boden zu ziehen“, sagte Andrea Carminati, Professor für Bodenphysik an der ETH Zürich.

Messungen zeigen dabei eine klare Schwelle: Fällt das Wasserpotenzial im Boden unter -1.5 Megapascal, können Pflanzen nicht mehr schnell genug Wasser nachliefern, um ihren Bedarf zu decken. Ab diesem Punkt kann die „Versorgungsleitung“ schlicht nicht mehr mithalten.

Winzige Ventile mit grossen Folgen

In den Blättern steuern Pflanzen ihren Wasserverlust über kleine Öffnungen, die Stomata (Spaltöffnungen). Sie funktionieren wie regelbare Ventile.

Sind sie geöffnet, gelangt Kohlendioxid in das Blatt, während gleichzeitig Wasserdampf entweicht. Dieser Austausch ist für die Photosynthese unverzichtbar.

„Stomata sind extrem sensibel“, sagte Tim Brodribb, Professor für Pflanzenphysiologie an der Universität Tasmanien.

Wenn die Pflanze diese Ventile schliesst, spart sie Wasser – besonders unter trockenen Bedingungen. Doch diese Entscheidung hat ihren Preis: Gelangt weniger Kohlendioxid ins Blatt, produziert die Pflanze weniger Zucker und wächst langsamer.

So wird das Abwägen zwischen Wasserverlust und Kohlenstoffgewinn zu einer täglichen Herausforderung.

„Letztlich bestimmt das Verhalten dieser winzigen Ventile, wie viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Biomasse von Landpflanzen gelangt“, sagte Brodribb.

Die eigentliche Grenze lag nie in der Pflanze

Die Ergebnisse stellen eine verbreitete Annahme infrage. Lange ging man davon aus, dass Pflanzen selbst die Grenze der Wasseraufnahme setzen. Auch viele Ansätze in der Landwirtschaft bauten auf dieser Vorstellung auf.

Züchtungsprogramme versuchten etwa, Kulturpflanzen zu entwickeln, die in ihren Zellen mehr gelöste Stoffe speichern können. Damit sollte ihre Fähigkeit steigen, Wasser aus trockenem Boden herauszuziehen. Diese Strategien waren mit grossen Investitionen verbunden – der erwartete Durchbruch blieb jedoch aus.

„Unsere Ergebnisse erklären dieses Scheitern: Der begrenzende Faktor liegt nicht in den Pflanzen, sondern im Boden“, sagte Brodribb.

Damit verschiebt sich auch der Blick auf Dürre-Resistenz: Selbst wenn Pflanzenmerkmale verbessert werden, löst das die Situation nicht zwingend – wenn der Boden den Zugang zum Wasser physikalisch blockiert.

Ein Blick in die inneren Leitungen der Pflanze

Innerhalb der Pflanze sind die Systeme bereits gut auf hohe Zugspannungen eingestellt. Wasser wird durch sehr enge Leitbahnen in Stängeln und Stämmen transportiert; verdickte Zellwände stabilisieren diese Röhren, sodass sie unter Druck nicht einknicken.

„Das ermöglicht ihnen, die Spannung im Gefässsystem auszuhalten und nicht zusammenzubrechen“, sagte Brodribb.

Auch in den Blattzellen tragen gelöste Stoffe über osmotischen Druck dazu bei, die Struktur selbst unter Stress aufrechtzuerhalten.

All das zeigt: Intern sind Pflanzen für den Umgang mit Wasser gut gerüstet. Der entscheidende Engpass sitzt offenbar ausserhalb – im Boden.

Wo Bodenphysik und Pflanzenphysiologie zusammenkommen

Die Arbeit verbindet zwei Disziplinen, die häufig getrennt voneinander arbeiten. Die Bodenphysik beschreibt, wie Wasser unter der Erde gebunden ist und sich bewegt; die Pflanzenphysiologie untersucht, wie Pflanzen darauf reagieren.

„Die Bodenphysik-Community hat grosse Fortschritte dabei gemacht, den besten Zeitpunkt für Bewässerung zu bestimmen“, sagte Carminati.

Durch das Zusammenführen beider Perspektiven konnten die Forschenden verknüpfen, was im Boden passiert, mit dem, was sich in den Blättern abspielt.

„Die Physik der Kapillarität sagt nicht nur voraus, wie weit sich Bodenporen entleeren, sondern auch, was hoch oben in den Blättern geschieht“, sagte Carminati.

Die Zusammenarbeit veränderte zudem den Zugang zum Problem: Der eine Ansatz startete im Boden und arbeitete sich nach oben vor, der andere begann bei den Blättern und dachte sich nach unten.

„Unsere Analyse mit Modellberechnungen des Wasserpotenzials ist ein sehr grundlegender Schritt, um zu verstehen, wie Pflanzen funktionieren“, sagte Brodribb.

Was das für die Zukunft bedeutet

Zu wissen, weshalb Pflanzen die Wasseraufnahme einstellen, ist zentral für Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Klimaforschung. Weil Dürren häufiger werden, hilft das Verständnis der tatsächlichen Grenze, bessere Entscheidungen zu treffen.

Das spricht dafür, dass das Management von Bodenbedingungen mindestens so wichtig ist wie die Optimierung von Pflanzeneigenschaften. Bodenstruktur, Wasserspeicherung und der Zeitpunkt der Bewässerung könnten eine grössere Rolle spielen als bisher angenommen.

Wenn Pflanzen „aufhören zu trinken“, versagen sie nicht – sie reagieren auf eine physikalische Barriere im Boden. Und genau dieser Perspektivenwechsel verändert, wo nach Lösungen gesucht wird.

Die vollständige Studie erschien in der Fachzeitschrift Science.