Wann Pflanzensamen keimen, ist eine bedeutende Variable für die Wirtschaftlichkeit einer Sorte. Doch was auf molekularer Ebene ganz am Anfang der Keimung geschieht, war bisher weitgehend unbekannt. Jetzt zeigen Wissenschaftler erstmals, wie der Stoffwechsel in einem Samen nach Wasseraufnahme innerhalb weniger Minuten anläuft und welche Rolle Thiol-Redox-Schalter dabei spielen.  

Pflanzensamen wirken unscheinbar und stecken doch voller Geheimnisse. Sie können im trockenen Zustand Jahre, Jahrzehnte oder gar Jahrhunderte überdauern und bei geeigneten Bedingungen mit der Keimung beginnen. Rekordhalter ist der Samen einer Dattelpalme, der nach etwa 2000 Jahren Dornröschenschlaf noch keimfähig war und einen Dattelbaum hervorbrachte.

Die Vorgänge bei der Keimung werden von Hormonen gesteuert und sind bereits gut erforscht. Doch bevor Hormone ihre Wirkung über die Regulation von Genen entfalten können, dauert es ein paar Stunden, denn zunächst muss der Stoffwechsel des Samens hochgefahren werden. Wie genau das passiert, darüber wusste man bisher nur sehr wenig. Ein internationales Team von Wissenschaftlern bringt jetzt Licht ins Dunkel. "Wir bekommen Einblicke, was in den ersten Minuten der Keimung passiert", erzählt Markus Schwarzländer, Professor für Pflanzenbiologie von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der die Studie geleitet hat.

Von 0 auf 100 in wenigen Minuten

Sobald Samen mit Wasser in Kontakt kommen, saugen sie sich damit voll. Wissenschaftler nennen diesen Vorgang Imbibition. "Das basiert vor allem auf physikalischen Prozessen", so Schwarzländer. Sobald Wasser vorhanden ist, fährt die Zelle innerhalb weniger Minuten ihre Kraftwerke hoch. Rein äußerlich sieht der Samen so aus wie vorher. Doch innen geht es rund.

Die Mitochondrien beginnen mit der Atmung und stellen das Molekül ATP her – die Energiewährung der Zelle. Denn ATP ist wichtig für nahezu jeden Stoffwechselweg, zum Beispiel wenn die Speicherstoffe im Samen gespalten und für das Wachstum des Embryos nutzbar gemacht werden sollen. "Das Spannende ist, dass das innerhalb von fünf Minuten passiert", berichtet der Studienleiter. Erst wenn genügend ATP vorhanden ist, kann die Zelle auch damit anfangen, DNA abzulesen, RNA-Transkripte und Proteine herzustellen.

Enzyme werden durch Schalter schnell aktiviert

Bevor die hormonelle Kontrolle der Keimung beginnt, müssen außerdem Enzyme aktiviert werden. Das passiert häufig durch die Übertragung von Elektronen auf Schwefelgruppen (Redox), Phosphat- oder Acetylgruppen. Weil dies ein besonders schneller Weg ist, Enzyme zu aktivieren oder zu deaktivieren, sprechen Biologen auch von "Schaltern". Markus Schwarzländer und sein Team konzentrierten sich bei der Analyse auf die Redox-Schalter. Sie identifizierten mehrere Cystein-Peptide, die beeinflussen, wie effizient der Energiestoffwechsel anläuft.

Drei Proteine stachen dabei besonders hervor: die mitochondriale Glutathion-Reduktase, die mitochondriale NADPH-abhängige Thioredoxin Reduktase A und B sowie das mitochondriale Thioredoxin o1. Diese drei Proteine deaktivierten die Wissenschaftler mit Hilfe von genetischen Methoden und ließen die Samen dann im Labor künstlich altern. Danach zeigte sich, dass die Samen ohne diese Proteine wesentlich ineffizienter keimten. "Diese Proteine reduzieren die Langlebigkeit der Samen, das ist auch für Züchter interessant", erklärt Schwarzländer.

Für einen größtmöglichen Ertrag ist es für Landwirte von hoher Bedeutung, dass alle Samen möglichst gleichzeitig auflaufen. Die Keimungsrate kann also über den Erfolg einer neuen Sorte mitbestimmen.

Wie funktioniert die Keimruhe?

In den Experimenten kam die Modellpflanze Arabidopsis thaliana zum Einsatz. Die Ergebnisse sind also zunächst auf Pflanzen übertragbar, die ebenfalls ölreiche Samen ausbilden, beispielsweise Raps oder Sonnenblumen. Bei Gräsern und Getreiden bestehen die Speicherstoffe größtenteils aus Stärke, die im Endosperm gespeichert ist. Trotzdem ist zu vermuten, dass die grundlegenden Prozesse bei allen orthodoxen Samen gleich sind.

In Zukunft möchte der Biologe sich vor allem mit dem Phänomen der Keimruhe beschäftigen. Denn die verhindert, dass Samen unter ungünstigen Bedingungen keimen. Die Keimung wird also unterdrückt, obwohl Wasser vorhanden ist. Er will herausfinden, ob dabei die gleichen energetischen Prozesse ablaufen, wie bei der Keimung selbst – und weshalb es dann doch nicht zur Keimung kommt.

Quelle: Nietzel, T. et al. (2019): Redox-mediated kick-start of mitochondrial energy metabolism drives resource-efficient seed germination. In: PNAS Januar, 2020 117 (1) 741-751, (online 23. Dezember 2019), doi: 10.1073/pnas.1910501117.

Quelle:Journalbeitrag Redaktion Pflanzenforschung.de, 14. Januar 2020