Erforschung der Zusammenhänge zwischen Temperatur und Samenproduktion
Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle in der Formung der unmittelbaren Umgebung von Pflanzen, wobei Wärmeinformationen von der Mutterpflanze oder den Samen selbst aufgenommen werden können. Es wird vermutet, dass die Temperatur einen großen Einfluss auf verschiedene Eigenschaften hat, so auch auf die Samenruhe – eine Eigenschaft, die dazu führt, dass Samen trotz der richtigen Umgebungsbedingungen nicht keimen. Die Temperatur kann somit letztendlich die Entwicklung eines Samens bestimmen. Dennoch ist die genaue Methode, mit der Pflanzen Temperaturinformationen verarbeiten, nicht bekannt. Das EU-finanzierte Projekt MATHCOV ist dabei, dieses Geheimnis zu lüften. „Das Hauptziel des Projekts war es herauszufinden, wie die Temperaturverläufe die Samenqualität von Gemüse beeinflussen, insbesondere die Keimungsleistung der Keimlinge. Der sich entwickelnde Samen ist eine komplexe Verflechtung verschiedener Gewebe und wir wollten sehen, welche für den Prozess am wichtigsten sind“, sagt Steve Penfield, Leiter der Penfield-Gruppe am John Innes Centre.
Endosperm im Visier
Die vorhergehende Forschung der Gruppe hatte gezeigt, dass Endosperm ein wichtiger Bereich für die Aufnahme von Temperatursignalen ist. Dies ist Gewebe um den Keimling, das bei den meisten Blütenpflanzen durch doppelte Befruchtung entsteht. So auch bei Brassica, oder Kohlpflanzen, einer wichtigen Feldfrucht für die menschliche Ernährung. „Das Endosperm hat viele Funktionen, unter anderem bestimmt es die Samengröße und nährt den Keimling, aber es kommuniziert auch via Hormontransport mit den anderen Samengeweben“, erklärt Penfield, Projektkoordinator von MATHCOV. MATHCOV untersuchte, wie die Temperaturen während der Samenproduktion sowohl Keimung als auch Triebkraft beeinflussen und wie genau das Endosperm daran beteiligt ist. Das Team verwendete Zeitreihentranskriptomik, ein Verfahren zur Untersuchung aller Boten-RNA-Moleküle im Endosperm. Es zeigt auf, welche Gene im Gewebe zu welcher Zeit aktiv sind. „Wir haben die Zeitreihentranskriptomik während der Samenentwicklung durchgeführt, um die Reaktion des Endosperms auf Temperaturschwankungen zu verstehen, welche die Triebkraft und Keimung beeinflussen“, merkt Penfield an. Diese Daten werden dann in ein „Gennetzwerk“ umgewandelt, eine mathematische Darstellung der aktiven Gene, die analysiert werden kann, um zeitliche Ähnlichkeiten und Unterschiede der Aktivitätsmuster aufzudecken. „So können wir früh oder spät auf Temperaturen reagierende Gene sowie zentrale Gene bestimmen, die Kernregulatoren zur Steuerung der Samenkeimung in unserer Forschung sind“, fügt Penfield hinzu. Im letzten Schritt untersuchten die Forschenden die Veränderungen der Genexpression, des Prozesses, bei dem Informationen eines Gens zur Schaffung von Proteinen verwendet werden. „Eine Untersuchung dieses sogenannten epigenetischen Profils liefert uns möglicherweise Erkenntnisse über temperaturbezogene Veränderungen in der Genexpression und auch darüber, wie diese die Samenleistung nach Keimung beeinflussen können – lange nachdem das ursprüngliche Temperatursignal verschwunden ist“, erklärt Penfield.
Keimungsergebnisse
Das Team fand zentrale Gene, die zu temperaturbedingten Unterschieden beitragen. „Diese Gene sind am Stoffwechsel von Abscisinsäure beteiligt, die eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Samenkeimung spielt,“ sagt Penfield. Die komplexen Datensätze, die im Projekt erstellt wurden, werden der Samenwissenschaft sowie Samenunternehmen zugutekommen, da sie aufzeigen, wie die Samenleistung und -verlässlichkeit verbessert werden kann. „Das wird durch die fortschreitende Automatisierung der Samenzucht zunehmend wichtiger. In der Samenproduktion etwa für den Anbau von Freilandgemüse oder für die vertikale Landwirtschaft in Innenbereichen“, so Penfield abschließend.
Schlüsselbegriffe
MATHCOV, Samen, Keimung, Temperatur, Gene, Expression, Triebkraft, Wachstum
