Die Keimung ist eine entscheidende Phase im Leben einer Pflanze, da sie das Samenstadium verlässt, das gegen verschiedene Umweltbedingungen (klimatische Bedingungen, Mangel an Nährstoffen usw.) resistent ist, um sich zu einem viel anfälligeren Sämling zu entwickeln. Das Überleben der jungen Pflanze hängt vom Zeitpunkt dieses Übergangs ab. Es ist daher wesentlich, dass dieses Stadium genau gesteuert wird.
Ein Schweizer Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE) hat ein Samen-Innenthermometer entdeckt, das die Keimung verzögern oder sogar blockieren kann, wenn die Temperaturen für den zukünftigen Sämling zu hoch sind. Diese Arbeit könnte helfen, das Pflanzenwachstum im Kontext der globalen Erwärmung zu optimieren. Diese Ergebnisse sind im Journal nachzulesen Naturkommunikation.
Neu gebildete Samen ruhen; sie können nicht keimen. Nach einigen Tagen (oder sogar Monaten, je nach Art) erwachen die Samen und erlangen die Fähigkeit, während der günstigen Jahreszeit für das Wachstum der Sämlinge und die Produktion neuer Samen zu keimen. Nicht ruhende Samen können jedoch immer noch über ihr Schicksal entscheiden. Beispielsweise kann ein nicht ruhender Samen, der plötzlich übermäßig hohen Temperaturen (über 28 °C) ausgesetzt wird, die Keimung blockieren. Dieser Mechanismus der Unterdrückung durch Temperatur (Thermo-Inhibition) ermöglicht eine sehr feine Regulierung. Eine Schwankung von nur 1 bis 2°C kann tatsächlich die Keimung einer Samenpopulation verzögern und somit die Überlebenschancen zukünftiger Sämlinge erhöhen.
Ein Schlüsselprotein: Phytochrom B
Die Gruppe von Luis Lopez-Molina, Professor an der Abteilung für Pflanzenwissenschaften der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE, interessiert sich für die Kontrolle der Keimung bei Arabidopsis thaliana, einer Pflanzenart, die zur Familie der Brassicaceae gehört und in vielen als Modell dient Forschungsprojekte. Um die Detektionsmechanismen zu verstehen, die es Samen ermöglichen, eine Thermoinhibition auszulösen, untersuchten die Wissenschaftler die Spur bereits beschriebener und ziemlich ähnlicher Phänomene bei jungen Pflanzen (dh in einem fortgeschritteneren Entwicklungsstadium).
Tatsächlich nehmen Setzlinge auch Temperaturänderungen wahr, wobei ein leichter Temperaturanstieg das Stängelwachstum fördert. Diese Anpassung ähnelt der, die beobachtet wird, wenn sich eine Pflanze im Schatten einer anderen befindet: Sie verlängert sich, um dem Schatten zu entkommen, um sich dem für die Photosynthese günstigeren Sonnenlicht auszusetzen. Diese Veränderungen werden durch ein licht- und temperaturempfindliches Protein, Phytochrom B, erkannt, das normalerweise das Pflanzenwachstum bremst. Eine Erhöhung um 1 bis 2 °C fördert die Inaktivierung von Phytochrom B, wodurch es weniger wirksam bei der Wachstumshemmung wird.
Ein Innenthermometer
Um zu verstehen, ob Phytochrom B auch eine Rolle bei der Thermohemmung während der Keimung spielt, sezierten die Autoren die Samen, um die beiden Gewebe im Inneren des Samens zu trennen: den Embryo (der die junge Pflanze hervorbringen wird) und das Endosperm (nährendes Gewebe, das auch die Keimung steuert). in Arabidopsis-Samen). Im Gegensatz zu Embryonen, die in Kontakt mit dem Endosperm gezüchtet wurden, fanden die Forscher heraus, dass Embryonen, denen ihr Endosperm entzogen wurde, ihr Wachstum bei zu hohen Temperaturen nicht stoppen können, was zu ihrem Tod führt.
„Wir fanden heraus, dass die Thermohemmung in Arabidopsis nicht autonom vom Embryo kontrolliert, sondern vom Endosperm implementiert wird, was eine neue wesentliche Funktion für dieses Gewebe offenbart“, erklärt Urszula Piskurewicz, Forscherin am Department of Plant Sciences der UNIGE Faculty of Science and Erstautor der Studie. „Mit anderen Worten, ohne Endosperm würde der Embryo im Samen die zu hohen Temperaturen nicht wahrnehmen und mit der Keimung beginnen, was fatal wäre.“
Optimierung der Pflanzenkeimung
Die thermische Hemmung der Keimung ist ein neues Beispiel für den Einfluss klimatischer Schwankungen auf bestimmte zyklische Phänomene im Pflanzenleben (Keimung, Blüte usw.). „Es wird erwartet, dass dieses Merkmal Auswirkungen auf die Artenverteilung und den Pflanzenbau hat, und diese Auswirkungen werden größer sein, wenn die Temperaturen weltweit steigen“, berichtet Luis Lopez-Molina, der letzte Autor der Studie.
Ein besseres Verständnis dafür, wie Licht und Temperatur die Samenkeimung auslösen oder verzögern, könnte in der Tat dazu beitragen, das Wachstum von Pflanzen zu optimieren, die einer Vielzahl von klimatischen Bedingungen ausgesetzt sind.
Mehr Informationen:
„Das Arabidopsis-Endosperm ist ein temperaturempfindliches Gewebe, das die Thermoinhibition der Samen durch phyB implementiert“, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36903-4