在极端气候期间，植物无法通过光合作用产生足够的富含能量的碳化合物，它们变得依赖于储存的储备。根据目前的理解，只有当光合作用产品的供应超过支持生长等过程的需求时，才会形成这些储备。马克斯普朗克生物地球化学研究所的科学家们证明，即使在长期饥饿的情况下，树木也会继续形成储备。为了实现这一目标，树木停止生长，甚至消化非必需的富含能量的成分。这些知识可用于改进对树木如何应对气候变化的预测。
全球范围内的树木和整片森林都受到日益严重的极端气候和随之而来的虫害的威胁。作为固着生物，树木无法摆脱威胁性的环境条件，必须调整其代谢过程以应对威胁。对植物来说至关重要的是通过光合作用产生富含能量的糖分子(碳水化合物)。这些化合物既是能量来源，也是所有代谢过程的基本组成部分。在长期干旱或高温等极端气候期间，光合作用受损，树木产生的碳水化合物减少，因为 CO2吸收量下降，水资源稀缺。这样就无法满足对富含能量的糖的需求，植物必须依靠储存的储备来维持重要的代谢过程。当储备枯竭时，植物可能会饿死或因防御系统失效而容易受到疾病和昆虫的袭击。
尽管它们起着关键作用，但直到现在，人们都认为可溶性糖、淀粉或脂肪等储备只有在光合作用条件有利且其生产速度超过其他功能(如生长)的需求时才会形成。“从进化的角度来看，这是没有意义的。树木必须存活数十年才能繁殖，而快速可用储备的可靠来源在度过频繁的不利时期方面起着至关重要的作用”，Henrik Hartmann 博士强调说，他是位于耶拿的马克斯普朗克生物地球化学研究所 (MPI-BGC)。“为什么一棵树应该投资于增长而不是通过积累更多的储备来确保当前和未来的生存?”
为了研究储存对树木生存的重要性，研究组的博士后研究员、最近发表在 Proc.Natl.Acad.Sci.USA 上的研究的第一作者黄建北博士通过生长对年轻的云杉树进行饥饿处理它们在非常低的 CO2浓度下持续数周。这使他能够在研究植物的碳水化合物时模拟极端气候期间发生的光合速率降低。最初，容易获得的储存化合物如预期的那样减少，因为它们用于新陈代谢并且在减少的 CO2供应下无法补充。令人惊讶的是，作为 CO2饥饿加剧，储存化合物稳定在一个恒定水平，树木停止生长。“当光合输出变得太低而无法为所有功能充分供应碳时，树木就会减少生长并将可用资源转移到储存中，”黄总结道。
在 CO2饥饿开始后 3 到 5 周，研究人员还检查了植物细胞的遗传活性，特别是编码参与代谢过程的酶的基因的表达。“我们第一次发现，在长时间饥饿后，负责快速访问存储化合物的酶的产生增加了”黄说。相比之下，参与生长过程(如纤维素和木质素生产)的酶的基因表达大大减少，从而在分子水平上证实了储存和生长之间的权衡。
更令人惊讶的是，替代能源生产的代谢途径得到了促进，正如负责将复杂脂肪分子转化为富含能量的碳水化合物的酶的产量增加所发现的那样。“似乎植物更愿意牺牲可消耗的结构，甚至显然自己消化，而不是放弃存储形成，”哈特曼说。“因此，能源生产和储存战略在关闭不必要的能源消耗以促进增长的同时，在 CO2期间始终如一地实施饥饿。” 使用这种策略，树木可以在极端气候条件下存活多久，以及外观健康的树木是否可能已经处于自我消化的紧急模式，这些都是研究应紧急解决的后续问题。总而言之，碳-饥饿的云杉树建立了保护区，希望这种适应能够使森林从气候压力中恢复过来。
以前对植物储存策略的研究仅限于短寿命草本物种，如拟南芥，仅涵盖数小时至数天。然而，对于需要数十年才能繁殖并持续暴露于季节变化和零星气候极端事件的长寿植物，拟南芥的研究结果可能没有多大意义。“当然，树木必须遵循一种储存策略，使它们能够比两年生草本植物存活更长时间，”黄说，“否则它们是如何在地球上存活近 4 亿年的?”
针叶树，例如这里研究的云杉树，在许多北半球生态系统中占主导地位，除了吸收和储存温室气体二氧化碳之外，还具有其他非常重要的生态功能。然而，许多针叶树物种无法适应气候变化带来的更暖和更干燥的条件，因此尤其受到威胁。它们的生存和整体森林发展在植被模型中进行模拟。然而，这些都是基于光合作用供应直接驱动增长的旧观点，忽略了将富含能量的糖分配到储存和储备中。“基于我们的新发现，现在可以更现实地设计此类模型，”哈特曼强调说，“更可靠的模型结果对于预测我们森林的未来极其重要，尤其是在气候变化不断加剧的情况下。
