Grünende Samen: Das Ende ist auch ein Anfang

Gruenende Samen Ende auch
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In einem neuen EU-Projekt wird unter Innsbrucker Leitung erforscht, wie sich Umweltbedingungen, unter denen die Mutterpflanzen wachsen, auf die Qualität von Samen auswirken. Das ist für die Landwirtschaft, aber auch für den Naturschutz wichtig.

Samen sind wundersame Wesen: Für viele Pflanzen sind sie quasi der Endpunkt ihres Lebens – gleichzeitig sind sie aber die Saat für das Leben in der nächsten Generation. Samen können lange Zeit bei lebensfeindlichen Bedingungen überdauern und erst dann wieder „aufwachen“, wenn die Bedingungen passen. So waren z.B. Samen von Dattelpalmen, die in der jüdischen Festung Masada gefunden wurden, nach 2000 Jahren noch lebensfähig. Es scheint fast, als ob der Pflanzenembryo im Samen – wie tot – schläft. Der Stoffwechsel ist nahezu ausgeschaltet – er ist jedenfalls nicht mehr messbar. „Für Pflanzen ist das ganz etwas Natürliches, es gehört zum Lebenszyklus“, sagt Ilse Kranner, Botanik-Professorin an der Uni Innsbruck. Was bei der Bildung von Samen genau passiert – wie also das biologische Material derart stabil wird – und wie die Zellen im Frühling wieder „lebendig“ werden, ist noch längst nicht in allen Details erforscht.

Bekannt ist, dass das Zellplasma bei einem Wassergehalt von fünf Prozent in einen glasartigen Zustand übergeht: „Es ist gerade noch flüssig, aber sehr zäh“, so die Forscherin. Verantwortlich dafür sind Zuckermoleküle, die zu sehr hohen Konzentrationen aufkonzentriert werden, aber auch bestimmte Proteine. Zudem verändern sich beim Trocknen der pH-Wert (Säuregrad) und der osmotische Druck in den Zellen. Der Glaszustand bewirkt, dass chemische Reaktionen verlangsamt und Alterungsprozesse verzögert werden.

Allerdings: Dieser Zustand verhindert nicht, dass es dennoch zu Schäden an den „Lebensmolekülen“ kommen kann: Durch reaktive Sauerstoffarten werden, so Kranner, „unweigerlich“ Makromoleküle geschädigt. Bei der Erbsubstanz (DNA) etwa kommt es zu Mutationen einzelner Basen oder sogar zu Strangbrüchen. Auch die Membranen und Proteine werden angegriffen: Manche chemische Gruppen werden oxidiert, dadurch verändert sich die räumliche Struktur, die Moleküle verlieren ihre Funktion. Ein zu stark geschädigter Samen kann im Frühling nicht mehr auskeimen – ein Schreckgespenst z.B. für Landwirte. Weltweit verursacht nicht auskeimendes Saatgut Milliardenschäden, die durch den Klimawandel noch steigen dürften.


Hormonell gesteuert. Die Natur hat freilich vorgesorgt: Als Reaktion auf diesen Stress (siehe Artikel rechts) werden bei der Samenreifung z.B. Antioxidantien eingelagert, die Schäden durch reaktiven Sauerstoff minimieren sollen. Aufgebaut wird auch ein „Vorrat“ an RNA-Molekülen und Proteinen, die die DNA vor Schäden schützen und nach der Keimung dafür sorgen, dass der Stoffwechsel sofort anspringt. Alle Prozesse bei der Samentrocknung, im Ruhezustand und beim Auskeimen werden exakt gesteuert, und zwar durch Pflanzenhormone oder auch durch reaktive Sauerstoffarten (die nicht nur schädlich sind, sondern auch als Botenstoffe dienen können): „Bei der Entwicklung der Samen auf der Mutterpflanze wird Abszisinsäure eingelagert“, so Kranner. Diese Substanz hemmt die Keimung. Zu ihr gibt es – wie bei vielen Hormonen – einen Gegenspieler: Gibberellinsäure hebt die Hemmung auf.

Diese beiden Hormone spielen bei einem Phänomen namens „Dormanz“ (Samenruhe) eine Schlüsselrolle. Darunter versteht man die Unfähigkeit eines Samens, trotz optimaler Umweltbedingungen zu keimen. „In unseren Klimazonen kann ein Same im Herbst von der Mutterpflanze abgeworfen werden, keimt aber nicht, auch wenn alle Rahmenbedingungen wie Temperatur und Bodenfeuchtigkeit stimmen. Er benötigt ein paar Wochen Kälte, bevor er keimen kann. Dann ,weiß‘ er, dass Frühling ist“, sagt Kranner. In anderen Klimaregionen wird die Dormanz etwa durch Hitzestress gebrochen – oder durch Verdauungssäfte von Vögeln, die die Samen fressen und wieder ausscheiden.

Wovon hängt es nun im Detail ab, ob und in welchem Ausmaß Samen auskeimen? Diese Frage steht im Zentrum des EU-Forschungsprojektes „EcoSeed“, das unter Leitung Kranners zu Jahresbeginn gestartet wurde. In diesem vorerst für vier Jahre mit knapp drei Mio. Euro budgetierten Projekt, in dem elf Institutionen aus fünf Staaten mitarbeiten, soll der Einfluss von Umweltbedingungen auf die Samenqualität (Langlebigkeit, Keimfähigkeit, Dormanz, Triebkraft) ergründet werden.

Die Ergebnisse sind für die Landwirtschaft wichtig, aber auch für den Natur- und Artenschutz. Denn beide Bereiche „leben“ davon, dass Samen zwischenzeitlich gelagert werden: Samen von Wildpflanzen werden in großen Genbanken in optimal getrocknetem Zustand bei minus 20 Grad oder – noch besser: in flüssigem Stickstoff bei minus 196 Grad – gelagert. Bei dem Projekt mit an Bord ist die weltweit größte Samenbank in den Royal Botanic Gardens Kew in London – wo Kranner bis zu ihrer Berufung nach Innsbruck 2012 geforscht hat. Landwirtschaftliches Saatgut kann, allein schon wegen der riesigen Mengen, nicht so optimal gelagert werden, es wird aber immerhin sorgfältig getrocknet und kühl gelagert.

Neben dem Einfluss der Lagerbedingungen wird in dem Projekt untersucht, wie sich die Samenqualität verändert, wenn die Mutterpflanzen unter Umweltstress leiden – auch im Hinblick auf den Klimawandel, der hierzulande höhere Temperaturen und weniger Feuchtigkeit erwarten lässt.

Vier Pflanzenarten – Gerste, Kohl, Sonnenblume und als natürliche Modellpflanze Arabidopsis(Ackerschmalwand oder Schotenkresse) – werden dabei unter kontrollierten Bedingungen angebaut, die Samen werden bei unterschiedlichsten Bedingung gelagert und schließlich wieder ausgesät. Von allen Stadien werden Proben gezogen und mit „Omik“-Verfahren analysiert. In der „Transkriptomik“ wird die DNA und das „Abschreiben“ in RNA untersucht; in der „Proteomik“ die Proteinmuster, in der „Metabolomik“ die Stoffwechselprodukte (Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren etc.).


Signalketten. Herausbekommen wollen die rund 60 beteiligten Forscher insbesondere, wie die Abläufe bei der Samenbildung, Lagerung und Keimung gesteuert werden, also welche Botenstoffe, Signalketten und Schaltstellen entscheiden, ob ein Same dormant wird, auskeimt oder abstirbt.

Zentral sind dabei Reparaturvorgänge, die z.B. die Schäden an der DNA beseitigen. Diese starten unmittelbar, nachdem ein Samen aus der Ruhephase erwacht, ohne sie könnte kein Same auskeimen, so Kranner. Diese Mechanismen werden von Saatgutproduzenten beim „Priming“ genutzt: Die Samen werden dabei angefeuchtet, dadurch startet die Reparatur von DNA und Proteinen – und dann werden die Körner gleich wieder getrocknet, um sie bis zum Verkauf wieder lagern zu können. Dass das Verfahren wirkt, weiß man seit Langem. Warum es funktioniert, das soll nun geklärt werden.

Lexikon

Austrocknungstoleranz: Darunter versteht man die Fähigkeit vieler Samen, auch bei extrem geringem Wassergehalt (und bei de facto eingestelltem Stoffwechsel) zu überleben und später wieder auszukeimen.

Dormanz nennt man die Eigenschaft mancher Pflanzensamen, selbst bei optimalsten Bedingungen so lange nicht zu keimen, bis bestimmte Umweltreize (je nach Klimazone z.B. Frost, Hitze oder Gefressenwerden) eingetreten sind.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 26.05.2013)