Halle (Saale) / Tübingen, Germany
March 21, 2016
Colourful, low-intensity grasslands do not only look attractive, but also offer valuable habitat for many plants and animals. Yet they have become rare in many places. To create more environments that contain grass and herbs, it is usually necessary to sow the appropriate plants. But which seeds should be used? Many scientists and environmentalists are speaking out in favour of seed from the same region as that in which the future grassland will lie. Ecologists from the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) in Halle (Saale), Germany, have carried out a joint study with colleagues from the universities of Tübingen and Münster, and TUM (Technische Universität München), to investigate the suitability of this approach. Two studies in the "Journal of Applied Ecology" have shown that using indigenous seed actually does bring benefits.
The white bedstraw (Galium album) is adapted to regional conditions. Photo: Walter Durka
For many years now, foresters have not just used any random seed when planting new trees. They have long known that not every European beech or Common oak tree is the same. In fact, every species has many variants which have adapted to suit the specific challenges of their environment. Some might, for example, withstand drought better than others, while others might survive harsh winters or thrive in poor soils. For this reason, German forestry has regulations that specify exactly which region the seed must come from, for a particular planting.
"To date, there have been no similar regulations for grassland plants", said Dr. Walter Durka, a biologist working at the UFZ. Anyone wanting to create a wildflower meadow in their garden or plant a new grassland habitat as part of a nature conservation project will find a huge range of seed mixtures available for purchase. These will definitely come from native plant species, but might theoretically have been produced anywhere in the world. In 2007 and 2008 alone, Germany imported 13,000 tonnes of grass seed and 280 tonnes of herb seed. "It may be cheaper to buy this seed abroad", he explained, "but the plants may then have adapted to suit conditions somewhere like New Zealand, for example, and not German regions such as Bavaria or Brandenburg".
The field scabious (Knautia arvensis) shows pronounced genetic differences between northern and southern Germany and in addition regional adaptation. Photo: Walter Durka
For this reason, many ecologists are speaking out in favour of also using seed from locally grown grassland plants. Scientists from the University of Hanover have also already developed a concept in which Germany is divided up into 22 areas of origin, using different geographical criteria. These areas of origin are then grouped in eight production zones. Several companies are already offering seed whose areas of origin can be precisely traced. Demand for this kind of seed is likely to continue to rise in future. The reason is that, from 2020, only indigenous seed of this kind can be used in Germany for recultivating grasslands in open countryside.
Does the regional seed concept make sense?
Until recently there has simply been insufficient data to provide a well-informed answer to this question. The extent of the actual genetic differences between members of the same species from different areas of origin was simply unknown. And that's without even mentioning whether such differences actually affect how the plants flourish. This is precisely the knowledge gap that the researchers at UFZ wanted to close.
Working together with colleagues at TUM (Technische Universität München), and the universities in Tübingen and Münster, they investigated seven common grassland plants that came from eight of the 22 German areas of origin. "We found genetic differences between the regions for all the species", summed up Walter Durka. However, how big these genetic differences are depends on the biology of the particular plant.
For example, grasses that are pollinated by the wind, and cannot fertilise themselves, exchange their genetic information over relatively large distances. For this reason, the researchers found the extremely common false oatgrass to have the smallest genetic difference between the regions. The opposite applied in the case of ragged robin. This species uses insects to distribute its pollen, sometimes even between flowers on the same plant. In addition, it is much rarer than false oatgrass. "This all leads to a low gene flow, which results in large genetic differences between populations", explained Walter Durka.
In the case of some species such as white bedstraw, the researchers also discovered a definite trend: the genetic differences become ever greater, the further the areas of origin are apart, and the more their climates differ. According to Durka, this is a clear indicator that these plants have adapted to their regional conditions. They should therefore be more successful close to their origin than in other parts of Germany.
The team tested whether this hypothesis is correct in a second study. To do so, the researchers sowed the seven species from the eight regions in Freising, Tübingen, Halle (Saale) and Münster, and observed how well they grew, and when they flowered. "In the case of many of the grassland species examined, it was indeed the case that plants that had the same regional origin grew better", reported Dr. Anna Bucharova and Prof. Oliver Bossdorf from the University of Tübingen. For example, on average, regional plants produced seven percent more biomass and ten percent more inflorescences than members of the same species that came from other regions of origin.
Reactions to climate change
Even the unusually warm temperatures in summer 2013, when the tests were carried out, had no effect on the test results. Critics of the regional seed concept often argue that it is not future-proof in a time of climate change: their argument is that, as temperatures increase, plants from the south are more likely to succeed than plants from the same region. However, the researchers found no indicators that this is the case: although temperatures in the experimental gardens in 2013 were 1.5 to two degrees above the average, calculated over many years, the plants from warmer regions had no advantage. This may be due to the fact that it is not only the temperature that is the decisive factor in whether growth is better or worse. The length of the days, or the composition of the microbial communities at the particular location, might also play an important role. If the regional plants are better adapted to suit such factors, then they can obviously also make use of their inherent relative strengths in warm years.
Yet it was not only the plant itself that profited from its adaptation to regional conditions. The researchers also discovered that the individual variants also flower at different times. Brown knapweed of different origins flowered up to 17 days apart. In the case of white bedstraw the difference was as much as 23 days. "From an ecological point of view, that is a huge difference", said Anna Bucharova. It should also be remembered that many animal species, from the pollinators to the inhabitants of the flower heads to the seed eaters, operate on the time plan that is usual for the region. "Scientifically, there is a real danger that this entire ecosystem could get into difficulties if plants from a different region flowered at the wrong time", she said. This is yet another reason for fostering the use of seed originating from the same region.
Publications:
Durka W, Michalski SG, Berendzen KW, Bossdorf O, Bucharova A, Hermann JM, Hölzel N, Kollmann J (2016): Genetic differentiation within multiple common grassland plants supports seed transfer zones for ecological restoration. Journal of Applied Ecology, http://dx.doi.org/10.1111/1365-2664.12636
Bucharova A, Michalski SG, Hermann JM, Heveling K, Durka W, Hölzel N, Kollmann J, Bossdorf O (2016): Genetic differentiation and regional adaptation among seed origins used for grassland restoration: lessons from a multispecies transplant experiment. Journal of Applied Ecology, http://dx.doi.org/10.1111/1365-2664.12645
Further links:
An introduction to the indigenous seed concept and map of the German areas of origin: http://www.regionalisierte-pflanzenproduktion.de/
Gras und Blüten von nebenan - Aus regionalem Saatgut gezogene Wiesenpflanzen sind ortsfremden Artgenossen überlegen
Bunte, nicht zu intensiv genutzte Wiesen sehen nicht nur attraktiv aus, sie bieten auch einen wertvollen Lebensraum für viele Pflanzen und Tiere. Doch vielerorts sind sie selten geworden. Um wieder mehr solcher Gras- und Kräuterwelten zu schaffen, muss man die entsprechenden Pflanzen normalerweise einsäen. Doch mit welchen Samen? Viele Wissenschaftler und Naturschützer plädieren für Saatgut aus der gleichen Region, in der die zukünftige Wiese liegt. Ökologen vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Halle haben nun zusammen mit Kollegen der Universitäten Tübingen und Münster sowie der Technischen Universität München untersucht, wie sinnvoll dieser Ansatz ist. Demnach hat das Regio-Saatgut tatsächlich Vorteile, zeigen zwei Studien in der Fachzeitschrift "Journal of Applied Ecology".
Wenn Förster irgendwo neue Bäume ansiedeln wollen, nehmen sie dafür schon lange kein x-beliebiges Saatgut mehr. Schließlich hat sich bei ihnen schon lange die Erkenntnis durchgesetzt, dass Rotbuche nicht gleich Rotbuche und Stieleiche nicht gleich Stieleiche ist. Vielmehr gibt es innerhalb jeder Art verschiedene Varianten, die sich an die ganz speziellen Herausforderungen ihres Lebensraums angepasst haben. Manche vertragen vielleicht mehr Trockenheit als ihre Artgenossen, andere sind Spezialisten für harsche Winter oder karge Böden. Daher ist im Forstbereich genau festgelegt, aus welcher Region das für eine bestimmte Pflanzung verwendete Saatgut stammen muss.
"Für Wiesenpflanzen gab es solche Regelungen bisher noch nicht", sagt Biologe Dr. Walter Durka vom UFZ. Wer in seinem Garten eine Blumenwiese anlegen oder im Rahmen eines Naturschutzprojektes einen neuen Grünland-Lebensraum schaffen will, findet im Handel die verschiedensten Saatgutmischungen. Diese stammen zwar durchaus von heimischen Pflanzenarten, können aber theoretisch überall auf der Welt gewonnen worden sein. Allein in den Jahren 2007 und 2008 hat Deutschland 13.000 Tonnen Gras- und 280 Tonnen Kräuter-Samen importiert. "Im Ausland lässt sich dieses Saatgut zwar oft günstiger gewinnen als in Deutschland", erklärt er, "dafür sind die Pflanzen dann aber vielleicht an die Bedingungen in Neuseeland angepasst und nicht an die in Bayern oder Brandenburg".
Viele Ökologen plädieren deshalb dafür, dass auch die Samen von Wiesenpflanzen aus der näheren Umgebung stammen sollten. Wissenschaftler der Universität Hannover haben dazu auch schon ein Konzept entwickelt, das anhand verschiedener geografischer Kriterien Deutschland in 22 Herkunftsgebiete einteilt, die zu acht sogenannten Produktionsräumen zusammengefasst sind. Etliche Firmen bieten bereits Saatgut an, bei dem sich genau zurückverfolgen lässt, aus welchem dieser Gebiete es stammt. Die Nachfrage danach dürfte künftig weiter steigen. Denn ab 2020 darf in Deutschland für die Rekultivierung von Wiesen in der freien Landschaft nur noch solches Regio-Saatgut verwendet werden.
Regio-Saatgut-Konzept sinnvoll?
Um diese Frage fundiert beantworten zu können, fehlte es bis vor kurzem schlicht an Daten. Niemand wusste, wie groß die genetischen Unterschiede zwischen Artgenossen aus unterschiedlichen Herkunftsgebieten tatsächlich sind. Geschweige denn, ob solche Abweichungen einen Einfluss auf das Gedeihen der Pflanzen haben. Genau diese Wissenslücke aber wollten die UFZ-Forscher schließen.
Gemeinsam mit Kollegen der TU München sowie der Universitäten in Tübingen und Münster haben sie dazu sieben häufige Wiesenpflanzen untersucht, die aus acht der 22 deutschen Herkunftsgebiete stammten. "Bei allen Arten haben wir genetische Unterschiede zwischen den Regionen gefunden", resümiert Walter Durka. Wie groß diese sind, hängt allerdings von der Biologie der jeweiligen Pflanze ab.
Gräser, die vom Wind bestäubt werden und sich nicht selbst befruchten können, tauschen ihre Erbinformationen zum Beispiel über relativ große Entfernungen aus. Daher haben die Forscher beim weit verbreiteten Glatthafer die geringsten genetischen Unterschiede zwischen den Regionen gefunden. Ein ganz anderes Bild bot sich dagegen bei der Kuckucks-Lichtnelke. Diese Art lässt ihren Pollen von Insekten verteilen - mitunter sogar zwischen Blüten der gleichen Pflanze. Zudem ist sie deutlich seltener als der Glatthafer. "Das alles führt zu einem geringen Genfluss und damit zu großen genetischen Unterschieden zwischen den Populationen", erklärt Walter Durka.
Bei einigen Arten wie etwa dem Weißen Labkraut haben die Forscher zudem einen deutlichen Trend festgestellt: Je größer die Entfernung und je unterschiedlicher das Klima zwischen zwei Herkunftsregionen ist, umso deutlicher fallen auch die genetischen Unterschiede aus. Laut Durka ein deutliches Indiz dafür, dass diese Pflanzen regional angepasst sind. Sie sollten also in der Nähe ihrer ursprünglichen Heimat besser zurechtkommen als in anderen Teilen Deutschlands.
Ob das tatsächlich so ist, hat das Team im Rahmen einer zweiten Studie getestet. Dazu haben die Forscher die sieben Arten aus den acht Regionen in Freising, Tübingen, Halle und Münster ausgesät und beobachtet, wie gut sie jeweils wuchsen und wann sie blühten. "Bei vielen der untersuchten Wiesenarten war es tatsächlich so, dass Pflanzen regionaler Herkunft besser wuchsen", berichten Dr. Anna Bucharova und Prof. Oliver Bossdorf von der Universität Tübingen. So lieferten die regionalen Gewächse im Schnitt sieben Prozent mehr Biomasse und zehn Prozent mehr Blütenstände als Artgenossen, die aus anderen Gegenden stammten.
Reaktionen bei Wandel des Klimas
Auch die ungewöhnlich warmen Temperaturen im Versuchs-Sommer 2013 änderten daran nichts. Kritiker des Regio-Saatgut-Konzepts argumentieren oft, dass es in Zeiten des Klimawandels nicht zukunftstauglich sei: Angesichts der steigenden Temperaturen könnten sich Pflanzen aus dem Süden womöglich besser behaupten als solche aus der Region, so das Argument. Dafür aber haben die Forscher keine Indizien gefunden: Obwohl die Temperaturen in den Versuchsgärten im Jahr 2013 um 1,5 bis zwei Grad über dem langjährigen Mittel lagen, hatten die Gewächse aus wärmeren Regionen keinen Vorteil. Möglicherweise liegt das daran, dass nicht nur die Temperatur über besseres oder schlechteres Wachstum entscheidet. Auch die Tageslänge oder die Zusammensetzung der Mikroben-Gemeinschaften am jeweiligen Standort können zum Beispiel eine wichtige Rolle spielen. Und wenn die regionalen Gewächse an solche Faktoren besser angepasst sind, können sie ihren Vorteil offenbar auch in warmen Jahren ausspielen.
Doch nicht nur die Pflanze selbst profitiert von ihrer regionalen Anpassung. Die Forscher haben nämlich festgestellt, dass die einzelnen Varianten auch zu unterschiedlichen Zeiten blühen. Bei Wiesen-Flockenblumen verschiedener Herkunft lagen bis zu 17 Tage zwischen den Blühterminen, beim Weißen Labkraut sogar bis zu 23 Tage. "Das ist aus ökologischer Sicht sehr viel", sagt Anna Bucharova. Schließlich haben sich zahlreiche Tierarten von den Bestäubern über die Bewohner der Blütenköpfe bis zu den Samenfressern auf den regional üblichen Zeitplan eingerichtet. "Es kann durchaus sein, dass diese ganze Lebensgemeinschaft in Schwierigkeiten kommt, wenn gebietsfremde Pflanzen zur falschen Zeit blühen", befürchtet die Wissenschaftlerin. Noch ein Grund mehr, bei Saatgut auf Regionalität zu setzen.
Publikationen:
Durka W, Michalski SG, Berendzen KW, Bossdorf O, Bucharova A, Hermann JM, Hölzel N, Kollmann J (2016): Genetic differentiation within multiple common grassland plants supports seed transfer zones for ecological restoration. Journal of Applied Ecology, http://dx.doi.org/10.1111/1365-2664.12636
Bucharova A, Michalski SG, Hermann JM, Heveling K, Durka W, Hölzel N, Kollmann J, Bossdorf O (2016): Genetic differentiation and regional adaptation among seed origins used for grassland restoration: lessons from a multispecies transplant experiment. Journal of Applied Ecology, http://dx.doi.org/10.1111/1365-2664.12645
Weiterführende Links:
Einführung in das Regio-Saatgut-Konzept und Karte der Herkunftsgebiete: http://www.regionalisierte-pflanzenproduktion.de/
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