Powered by

Samen im Tiefschlaf

Pflanzen sind wählerisch – insbesondere, wenn es um den Zeitpunkt ihrer Keimung geht. Die in den Samenhüllen verborgenen Embryonen können sogar Jahrzehnte lang im Boden überdauern, bis die Umweltbedingungen für ein Erwachen optimal sind. Wie der als Dormanz bezeichnete Ruhezustand reguliert wird und wie die Keimung dann doch plötzlich in Gang kommt, untersuchen Dr. Gerhard Leubner und seine Mitarbeiter vom Institut für Biologie II der Uni Freiburg. Ihre Einsichten kommen auch Unternehmen zu Gute, die Saatgut für landwirtschaftliche Zwecke optimieren möchten.

Logo der weltweit am häufigsten besuchten Internet-Seite für Samenbiologie, die von Gerhard Leubner unterhalten wird (www.seedbiology.de) (Abbildung: AG Gerhard Leubner) © AG Gerhard Leubner
Der Samen nimmt eine zentrale Stellung im Lebenszyklus der Pflanze ein. Er dient ihr nicht nur zur Ausbreitung in neue Lebensräume, etwa durch Vögel oder den Wind, er stellt auch das gegen Trockenheit am besten gewappnete Stadium dar. Pflanzliche Embryonen überleben im Samen sogar noch, wenn sie auf nur 5%-10% des Wassergehalts austrocknen. Damit sie erst keimen, wenn optimale Umweltbedingungen zu erwarten sind, hat sich in vielen Arten eine als Dormanz bezeichnete Strategie etabliert. Dieser "schlafähnliche Zustand" stellt eine physiologische Blockade dar, die das Auskeimen verhindert.

Entscheidend ist die Summe an Temperatur

„Während der Dormanz ist der Start des Auskeimens kaum möglich“, sagt Dr. Gerhard Leubner, Leiter der Arbeitsgruppe für Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie II der Uni Freiburg. „Selbst wenn es warm ist und genug Wasser fällt, bleibt der Samen in seinem Ruhestadium.“ Bereits während der Entwicklung eines Pflanzenembryos ist unter Mitwirken des pflanzlichen Hormons Abscisinsäure und der von ihm regulierten genetischen Programme die Blockade etabliert worden. Und erst bestimmte Umwelteinflüsse heben sie wieder auf. Bei dormanten Tabaksamen zum Beispiel spielt dabei die Temperatur eine wichtige Rolle, oder besser gesagt die Temperaturhistorie. Der Tabakembryo führt nämlich gewissermaßen Buch über erlebte Wärme- und Kältephasen. Und erst wenn die Summe an Temperaturschwankungen einen bestimmten Schwellenwert erreicht, endet die Dormanz und der Embryo erwacht. Damit stellt die Pflanze sicher, dass sie wirklich im Frühling austreibt, und nicht etwa während eines einzigen warmen Tages im November.

„Wie der Tabaksamen die Akkumulation bestimmter Temperaturen messen kann, wissen wir noch nicht“, sagt Leubner. „Aber für das Ende der Blockade sind auf jeden Fall unter anderem bestimmte Pflanzenhormone verantwortlich.“ So zum Beispiel die Gibberelline. Während kalter Nächte steigt die Konzentration dieser Moleküle im Embryo. Zusätzlich dazu erhöht sich die Empfindlichkeit des embryonalen Gewebes gegenüber den Hormonen. Umgekehrt sinkt die Konzentration der Abscisinsäure, die im sich entwickelnden Embryo die Dormanz eingeleitet hatte. Das Verhältnis zwischen diesen entgegenlaufenden Prozessen ist einer der entscheidenden Faktoren für den Wechsel von Ruhe zu Aktivität.

Durch zwei Hüllen hindurch

Nach und nach keimt aus dem Tabaksamen die Spitze der Keimwurzel aus – zuerst reißt die Samenschale (braun), dann das weiter innen liegende Endosperm (weiß) (Abbildung: www.seedbiology.de)
Endet die Dormanz, dann treibt der Embryo unter Wasseraufnahme die Keimwurzel aus. Auch diesen Vorgang untersucht Leubner mit seiner Arbeitsgruppe sehr genau, allerdings nicht anhand von Tabaksamen, sondern anhand der wesentlich größeren Samen der Gartenkresse und der molekularbiologisch inzwischen gut untersuchten Ackerschmalwand (Arabidopsis). Die Untersuchungen an diesen zwei Samentypen zeigen vor allem eines: Der Prozess des Auskeimens ist ziemlich kompliziert. Der Embryo wird nämlich von zwei Hüllgeweben geschützt, der äußeren Samenschale und dem als Endosperm bezeichneten inneren Schutz- und Nährgewebe. Und beide müssen von der Keimwurzel erst einmal durchbrochen werden.

Leubner, seine Doktorandinnen Ada Linkies und Kerstin Müller und seine DiplomandInnen untersuchen vor allem, wie die Keimwurzel die innere Hülle überwindet. Zum Teil wird das möglich, weil das Endosperm während des Auskeimvorgangs aufweicht. Dafür sorgen unter anderem Enzyme, die die Zellwände des Hüllgewebes abbauen. Welche Gene hierfür wichtig sind, prüfen die Wissenschaftler mit molekularbiologischen und genetischen Methoden. Und dass das Erweichen eine Voraussetzung für das Auskeimen ist, können sie mit einer biomechanischen Apparatur nachvollziehen. Indem sie präparierte Hüllhäute in eine Halterung spannen und einen Metallstab mit einer kontrollierten Menge an Kraft dagegen drücken, messen sie, wann die Wurzelspitze das Endosperm durchstoßen kann. „Durch diese unterschiedlichen Ansätze verstehen wir den gesamten Prozess immer besser“, sagt Leubner.
Nach und nach keimt aus dem Tabaksamen die Spitze der Keimwurzel aus – zuerst reißt die Samenschale (braun), dann das weiter innen liegende Endosperm (weiß) (Abbildung: www.seedbiology.de)

Eine Herausforderung für die Landwirtschaft

Und das stößt auch in der Saatgutindustrie auf Interesse. Viele Firmen möchten optimierte Samen züchten, die sowohl schneller und kräftiger auskeimen als auch im maschinellen Prozess des Ackerbaus besser zu handhaben sind. In einem Projekt untersuchen Leubner und seine Mitarbeiter deshalb zum Beispiel, wie man Weizensamen durch Trockenlagerung aus dem Zustand der Dormanz „wecken“ und gegenüber Gibberellinen empfindlicher machen kann. Auf diese Weise behandelte Samen keimen nicht nur schneller, sondern auch in einem höheren Maße synchron. „Der Markt für diese Forschung ist groß“, sagt Leubner. Und das wird sich in den Zeiten des Klimawandels nicht ändern. Die zu erwartenden Temperaturschwankungen werden nicht nur die Samen in den natürlichen Samenbanken der Erde vor eine Herausforderung stellen, sondern auch diejenigen, die die Bauern auf den Feldern säen.

mn – 10.06.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen zum Beitrag:
PD Dr. Gerhard Leubner
Institut für Biologie II, Botanik/Pflanzenphysiologie
Schänzlestr. 1
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: +49 (761) 203 2936
Fax : +49 (761) 203 2612
E-Mail: gerhard.leubner@biologie.uni-freiburg.de

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/samen-im-tiefschlaf/