Dank eines internen Thermometers wissen die Samen, wann sie keimen müssen

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Ein Team der Universität Genf hat herausgefunden, wie der Samen je nach Außentemperatur entscheidet, ob er im "Winterschlaf" bleibt oder die Keimung auslöst.

Dank eines internen Thermometers wissen die Samen, wann sie keimen müssen
Die Keimung ist ein entscheidender Schritt im Leben einer Pflanze. Hier verlässt sie das Stadium eines gegen verschiedene Umweltbelastungen (klimatische Bedingungen, Mangel an Nährstoffen usw.) resistenten Samens und wird zu einem viel verletzlicheren Keimling. Das Überleben der jungen Pflanze hängt unter anderem vom richtigen Zeitpunkt dieses Übergangs ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass dieser Schritt fein gesteuert wird. Ein Schweizer Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE) hat das innere Thermometer der Samen entdeckt, das die Keimung verzögern oder sogar blockieren kann, wenn die Temperaturen für den künftigen Keimling zu hoch sind. Diese Arbeiten könnten dazu beitragen, das Pflanzenwachstum vor dem Hintergrund der globalen Klimaerwärmung zu optimieren. Sie sind in der Zeitschrift Nature Communications zu lesen.

Die neu gebildeten Samen ruhen, d. h. sie sind nicht keimfähig. Nach einigen Tagen - je nach Art sogar nach einigen Monaten - erwachen die Samen und erlangen die Fähigkeit, in der für das Wachstum des Keimlings und die Produktion neuer Samen günstigen Jahreszeit zu keimen. Nicht schlafende Samen können jedoch immer noch über ihr Schicksal entscheiden. So kann ein nicht schlafender Samen, der plötzlich zu hohen Temperaturen (28°C) ausgesetzt wird, seine Keimung blockieren. Dieser Mechanismus der Temperaturunterdrückung (Thermo-Inhibition) ermöglicht eine sehr feine Regulierung. Eine Veränderung von nur 1-2°C kann die Keimung einer Samenpopulation tatsächlich verzögern und so die Überlebenschancen der zukünftigen jungen Sämlinge erhöhen.

Ein Schlüsselprotein: Phytochrom B

Die Gruppe von Luis Lopez-Molina, Professor am Departement für Pflanzenwissenschaften der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf, interessiert sich für die Kontrolle der Keimung bei Arabidopsis thaliana (Frauenmantel), einer Pflanzenart, die zur Familie der Brassicaceae gehört und in zahlreichen Forschungsarbeiten als Modell verwendet wird. Um die Erkennungsmechanismen zu verstehen, die es den Samen ermöglichen, die Thermo-Inhibition auszulösen, gingen die Wissenschaftler bereits beschriebenen und recht ähnlichen Phänomenen bei jungen Pflanzen, d.h. in einem fortgeschritteneren Entwicklungsstadium, auf die Spur.

Temperaturänderungen werden nämlich auch von den Keimlingen wahrgenommen, bei denen ein leichter Temperaturanstieg das Wachstum des Stängels fördert. Diese Anpassung ähnelt derjenigen, die man beobachten kann, wenn eine Pflanze im Schatten einer anderen steht: Sie streckt sich, um dem Schatten zu entfliehen und sich dem Sonnenlicht auszusetzen, das für die Photosynthese günstiger ist. Diese Veränderungen werden durch ein licht- und temperaturempfindliches Protein, Phytochrom B, erkannt, das normalerweise als Wachstumsbremse wirkt. Ein Anstieg um 1-2°C fördert die Inaktivierung von Phytochrom B, wodurch es weniger wirksam das Wachstum hemmt.

Ein internes Thermometer

Um herauszufinden, ob Phytochrom B auch eine Rolle bei der Wärmehemmung während der Keimung spielt, sezierten die Autoren die Samen, um die beiden Gewebe im Inneren des Samens zu trennen: den Embryo (aus dem die junge Pflanze entsteht) und das Albumen (das Nährgewebe, das auch die Keimung des Arabidopsis-Samens kontrolliert). Im Gegensatz zu Embryonen, die in Kontakt mit dem Albumen gezüchtet wurden, stellten die Forscher fest, dass Embryonen ohne Albumen nicht in der Lage sind, ihr Wachstum bei zu hohen Temperaturen zu stoppen, was zu ihrem Tod führt.

"Wir haben herausgefunden, dass die Thermo-Inhibition bei der Frauenaralie nicht autonom vom Embryo kontrolliert wird, sondern vom Albumen implementiert wird, was eine neue essentielle Funktion dieses Gewebes offenbart", erklärt Urszula Piskurewicz, Forscherin am Departement für Pflanzenwissenschaften der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Erstautorin der Studie. "Mit anderen Worten: Ohne Albumen würde der Embryo im Samen nicht wahrnehmen, dass die Temperaturen zu hoch sind, und mit der Keimung beginnen, was für ihn tödlich wäre".

Optimierung der Keimung von Kulturpflanzen

Die Thermohemmung der Keimung ist ein weiteres Beispiel für den Einfluss von Klimaschwankungen auf bestimmte periodische Phänomene im Leben der Pflanzen (Keimung, Blüte usw.). "Es wird erwartet, dass dieses Merkmal Auswirkungen auf die Verbreitung von Arten und die Landwirtschaft von Pflanzen hat, und diese Auswirkungen werden umso größer sein, je höher die Temperaturen weltweit steigen", berichtet Luis Lopez-Molina, der letzte Autor der Studie. Ein besseres Verständnis, wie Licht und Temperatur die Samenkeimung auslösen oder verzögern, könnte in der Tat dazu beitragen, das Wachstum von Pflanzen zu optimieren, die einem breiten Spektrum an klimatischen Bedingungen ausgesetzt sind.