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Pflanzenwachstum So können Pflanzensamen nach Jahrzehnten noch keimen

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Sie schlummern manchmal Monate oder Jahre im Boden: Pflanzensamen. Erst bei geeigneten äußerlichen Bedingungen sprießen sie dann. Wie dies gelingt, haben nun Forscher der Universität Münster gemeinsam mit internationalen Kollegen untersucht.

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Keimende Mungbohnen-Samen
Keimende Mungbohnen-Samen
(Bild: Bettina Richter)

Münster – So unscheinbar Pflanzensamen für manche Betrachter sind, so außergewöhnlich sind ihre Eigenschaften. Im trockenen Zustand können sie über Jahre ihre Energie speichern, um sie bei geeigneten Umweltbedingungen freizusetzen und zu keimen. Ein bekanntes und zugleich beeindruckendes Beispiel hierfür ist der „Super Bloom“ im US-amerikanischen Death-Valley-Nationalpark, wo Samen, die über Jahrzehnte in der trockenen und heißen Wüste überdauert haben, nach Regen schlagartig keimen und einige Monate später zu einem seltenen blühenden Spektakel führen. Der Samen bewahrt dabei einen fertig geformten Embryo, der erst mit dem Wachsen fortfährt, wenn die Bedingungen ideal dafür sind. Das kann Jahre, in Extremfällen sogar Jahrhunderte später so weit sein.

Fluoreszierende Biosensoren machen den Keimprozess sichtbar

Kontrolliert wird dieser Vorgang durch eine Vielzahl von Hormonen, die Wissenschaftler intensiv erforschen. Über die Prozesse, die die Hormone überhaupt erst wirksam werden lassen, war bisher sehr wenig bekannt. Wie wird die Energie im Samen verfügbar gemacht? Wie kann der Energiestoffwechsel früh und effizient gestartet werden? Diesen Fragen ist jetzt ein internationales Forscherteam nachgegangen.

Samenkeimung unter dem Fluoreszenzmikroskop
Samenkeimung unter dem Fluoreszenzmikroskop
(Bild: Bettina Richter)

Mithilfe neuartiger fluoreszierender Biosensoren beobachteten die Wissenschaftler in den lebenden Zellen von Samen sowohl den Energiestoffwechsel als auch den Redox-Stoffwechsel, der auf Basis von Schwefel stattfindet. Das Ergebnis: Wenn die Samen in Kontakt mit Wasser kamen, baute sich der Stoffwechsel innerhalb von Minuten auf, und die Mitochondrien der Pflanzenzellen aktivierten ihre Atmung. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, welche molekularen Schalter umgelegt werden, um Energie effizient freisetzen zu können – den so genannten Thiol-Redox-Schaltern kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu.

„Dadurch, dass wir erstmals Einblicke in die ganz frühen Prozesse der Keimungskontrolle bekommen, erhalten wir ein besseres Gesamtverständnis der Mechanismen, die der Samenkeimung zugrunde liegen. In der Zukunft könnte man darüber nachdenken, wie solche Schalter biotechnologisch genutzt werden können“, betont Studienleiter Prof. Dr. Markus Schwarzländer von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). Die Ergebnisse könnten zum Beispiel für die Landwirtschaft relevant sein, wenn Saatgut einerseits lange haltbar, andererseits aber auch synchron und möglichst ohne Verluste keimen soll.

Hintergrund und Methode

Um die Aktivitäten des Energiestoffwechsels zu beobachten, machten die Wissenschaftler Adenosintriphosphat (ATP), die generelle Währung für Energie in der Zelle, und die Elektronenenergie, Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH), in den Mitochondrien unter dem Mikroskop sichtbar. Dazu verglichen sie sowohl trockene als auch mit Wasser „gefütterte“ intakte Samen der Ackerschmalwand.

Um herauszufinden, ob die Redox-Schalter wichtig dafür sind, dass die Keimung angekurbelt wird, schalteten die Forscher bestimmte Proteine mithilfe genetischer Verfahren aus und verglichen die Reaktion der veränderten Samen mit unveränderten. Die Wissenschaftler ließen die Samen über ein paar Tage künstlich im Labor altern und beobachteten, dass sie deutlich weniger aktiv keimten, wenn ihnen die betreffenden Proteine fehlten.

In einem weiteren Schritt führten die Biologen eine so genannte Redox-Proteom-Analyse durch – untersuchten also die Gesamtheit der relevanten Redox-Proteine mithilfe biochemischer Methoden. Dazu isolierten sie aktive Mitochondrien und froren sie sozusagen während ihrer Aktivität ein, um diesen Zustand direkt am Ort des Geschehens untersuchen zu können. Mithilfe anschließender Massenspektrometrie-Verfahren identifizierten die Wissenschaftler mehrere so genannte Cystein-Peptide, die wichtig für die Ressourceneffizienz des Energiestoffwechsels sind.

„Man kann diesen Prozess mit dem Verkehrssystem einer Großstadt vergleichen. Bevor die Rush-Hour, also die Keimung, losgeht, bei der Stoffwechselprodukte in großen Mengen auf die ‚Straße‘ gelangen, sollten morgens die Ampeln und Leitsysteme eingeschaltet werden – und das übernehmen hier die Thiol-Redox-Schalter“, erklärt Erstautor Dr. Thomas Nietzel. Er führte einen Großteil der Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn und später als Postdoktorand am Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der WWU Münster durch.

Originalpublikation: T. Nietzel et al. (2019); Redox-mediated Kick-Start of Mitochondrial Energy Metabolism drives Resource-efficient Seed Germination. PNAS; DOI: 10.1073/pnas.1910501117

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