Neue Einblicke in die frühesten Ereignisse der Samenkeimung

Thiol-Redox-Schalter regeln, wie Pflanzensamen gespeicherte Energiereserven umsetzen

06.01.2020 - Deutschland

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 Blühspektakel 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.

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.

Mithilfe neuartiger fluoreszierender Biosensoren beobachteten die Wissenschaftler in den lebenden Zellen von Samen sowohl den Energiestoffwechsel als auch den sogenannten Redox-Stoffwechsel, der auf Basis von Schwefel passiert. Das Ergebnis: Wenn die Samen in Kontakt mit Wasser kamen, baute sich der Stoffwechsel innerhalb von Minuten auf, und die „Kraftwerke“ der Pflanzenzellen (Mitochondrien) aktivierten ihre Atmung. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, welche molekularen Schalter umgelegt werden, um Energie effizient freisetzen zu können – den sogenannten 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. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „PNAS“ (Proceedings of the National Academy of Sciences) erschienen.