Wie die Artengemeinschaft von Pilzen das Baumwachstum beeinflusst

Sogenannte Mykorrhizapilze haben sich seit hunderten Millionen von Jahren gemeinsam mit Pflanzen entwickelt und leben heute in engen Lebensgemeinschaften mit ihren Pflanzenpartnern zusammen. Die Pilzgesellschaften sind sehr vielfältig (Abb. 1 und 2). In einer einzigen Handvoll Waldboden finden sich Hunderte bis Tausende verschiedener Pilzarten, die sich von Boden zu Boden und von Wald zu Wald unterscheiden.

Es gibt zwei Formen dieser Partnerschaft zwischen Pilz  und Pflanze: die Endo- und die Ektomykorrhiza. Im Wald ist letztere relevant. Bei einer Ektomykorrhiza leben die Pilze ausserhalb der Pflanze. Ihr Geflecht legt sich zwar eng um deren feinste Wurzeln. Es dringt aber nicht in die Pflanzenzellen ein, wie es bei der Endomykorrhiza der Fall ist. Sowohl Pilze wie auch Bäume profitieren von ihrer Lebensgemeinschaft, einer sogenannten Symbiose. Im Gegensatz zu freilebenden Pilzen, die sich selbst ernähren, erhalten Ektomykorrhizapilze ihre Energie fast ausschliesslich von den Bäumen. Im Gegenzug versorgen die Pilze «ihre» Bäume unter anderem mit Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff oder schützen sie vor Krankheitserregern.

Der Energiefluss in diesen Gemeinschaften ist beträchtlich: Die Pflanzen stellen ihren Pilz­partnern 5 bis 40 Prozent des Zuckers zur Verfügung, den sie selbst bei der Photo­synthese herstellen. Die Nähr­stoffe wiederum, die sie von den Pilzen erhalten, sind essentiell für das Baum­wachstum und blieben den Bäumen ohne die Pilze verschlossen. Das wirft die Frage auf, ob Unterschiede in der Arten­zusammen­setzung der Pilz­gemein­schaften das Wachs­tum von Bäumen beeinflussen können. Denn nicht alle Mykorrhiza­pilze erwerben beispiels­weise Stick­stoff auf dieselbe Weise und mit demselben Energie­aufwand.

Forschende der ETH Zürich und der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL sind dieser Frage auf den Grund gegangen. Dafür setzten sie die Artenzusammensetzung der Pilzgemeinschaften auf über 130 Waldstandorten in Europa mit dem Baumwachstum auf diesen Standorten in Zusammenhang (siehe Infobox). 

Und tatsächlich: Es zeigten sich gewaltige Unterschiede im Wachstum der Bäume – die mit der Artenzusammensetzung ihrer Pilzgemeinschaften zusammenhingen. Je nach dieser variierte die Wachstumsrate der Bäume um das Dreifache. Das heisst, Bäume mit der hierfür «idealen» Pilzgemeinschaft wuchsen dreimal schneller als solche, die mit  der «schlechtesten» Gemeinschaft vergesellschaftet waren. Dieser Effekt war unabhängig von anderen Faktoren, die das Baumwachstums beeinflussen, wie dem Klima, Bestands­merk­malen oder dem Stickstoffhaushalt im Boden.

Der Effekt der Pilzgemeinschaften entspricht  in seiner Grössenordnung anderen gross­räu­mi­gen Fak­toren, die das Baum­wachstum in Europa beeinflussen, beispiels­weise dem Klima. Umso wichtiger ist es daher, im Detail weiter zu untersuchen, wie sich Mykorrhiza­pilz-Gemein­schaf­ten auf das Wachs­tum (und die Mortalität) von Bäumen sowie die Kohlen­stoff­speiche­rung im Boden auswirken. Dieses Wissen braucht es, um die Bewirt­schaf­tung von Wäldern im Hin­blick auf bestimmte Wachs­tums­ergebnisse und Kohlen­stoff­bindungs­szenarien unter einem sich ändernden Klima besser verstehen und fördern zu können.

Analysen der Pilzgene deuten darauf hin, dass der Unterschied tatsächlich auf die unter­schied­li­chen Strategien zurückgehen könnte, mit denen die Mykorrhiza­pilze Stick­stoff erwerben. Denn wie sich zeigte, besitzen Pilz­gemein­schaften in schnell wachsenden Wäldern mehr Gene für den Erwerb von Stick­stoff in seiner anorganischen Form. Bei Gemein­schaften in langsam wachsenden Wäldern dagegen sind solche Gene zahlreicher, die dem Pilz ermöglichen, Stickstoff in seinen organischen Formen zu nutzen, in denen er in organischer Materie wie etwa Blättern gebunden ist. Dazu muss der Pilz diese allerdings zuerst in bio­verfügbare Ein­heiten zerlegen – unter insgesamt deutlich grösserem Energie­aufwand, als für die Gewinnung anorganischen Stick­stoffs nötig ist.

Da die Mykorrhiza­pilze ihre Energie von Bäumen beziehen, «kostet» Stick­stoff aus or­gani­schen Quellen die Bäume also mehr, als wenn ihre Pilz­partner anorganischen Stick­stoff verarbeiten. Dies könnte nach Ansicht der Forschenden ein Haupt­grund dafür sein, dass Pilze, die anorganischen Stick­stoff nutzen,  das Wachstum von Bäumen in viel stärkerem Masse fördern als solche, die sich komplexe und damit aufwendig zu erschliessende organische Stick­stoff­formen verfügbar machen. Denn den Zucker, den die Bäume ihren Partnern zukommen lassen, können sie nicht für ihr eigenes Wachstum nutzen.

Ein ähnlicher Zusammenhang besteht mit der Art, wie die Mykorrhizapilze den Boden erkunden. Einige bleiben in engem Kontakt mit den Pflanzenwurzeln und entfernen sich nicht weit von diesen. Andere wandern über kurze, mittlere oder lange Strecken. Manche entfalten gar ausgedehnte dreidimensionale Strukturen im Boden. Eine bestimmte Gruppe von Pilzen – im Englischen als «medium fringe exploration type» bezeichnet –, die den Boden sehr intensiv durchdringen, kann dabei riesige Anteile der Biomasse im Boden stellen. Ihre Pilzfäden bilden Geflechte mit vielen Verzweigungen, die auch dickere Hyphen (Rhizomorphe) umfassen.

Eine Liste solcher Arten könnte dazu dienen, die Produktivität von Wäldern anhand der Häufigkeit der entsprechenden Pilz-Fruchtkörper im Unterholz auf einfache Weise mit einer Begehung einzuschätzen.

Es bestehen darüber hinaus zahlreiche weitere Auswirkungen auf die Waldbewirtschaf­tung und den Naturschutz. Die wichtigste ist aufzuzeigen, wie essentiell der Schutz von Pilzen ist. Aber im grössten Teil Europas bleiben die Bemühungen zum Schutz von Pilzen weit hinter denen für andere Organismen wie Pflanzen oder Tiere zurück.

Wälder, in denen bestimmte Pilze mit unterschiedlichen Wachstumsraten der Bäume in Verbindung gebracht wurden, sollten intensiver überwacht werden. Diese Wälder, und die Lebensräume der Pilze in ihnen zu bewahren, dient nicht nur der Erhaltung der Pilze. Es schützt und fördert über den Einfluss der Pilze auf die Bäume auch Waldfunktionen wie etwa die Holzproduktion  oder den Schutz vor Naturgefahren.

Die neuen Resultate eröffnen zudem die Möglichkeit, Mykorrhizapilz-Gemeinschaften in Wäldern aktiv zu steuern, um das Wachstum der Bäume zu regulieren: Möglicherweise liesse sich beispielsweise die Leistung von Setzlingen verbessern, indem man geeig­nete Pilze aus den Wäldern vor Ort zum Impfen von Böden nutzt oder hierfür Pilzarten verwendet, die mit besonders schnellem Baumwachstum in Verbindung gebracht wurden. Dies könnte letztlich zu besseren Ergebnissen bei der Auspflanzung im Feld führen. Derzeit laufen Untersuchungen dazu, wie sich einige dieser Pilze (die sich kultivieren lassen), auf die Wachstumsraten von Bäumen im Gewächshaus auswirken.