Wenn man Pflanzen bestimmten Chemikalien aussetzt, während sie noch Samen sind, um sie „vorbereiten“ zu können, kann dies Auswirkungen auf ihr späteres Wachstum haben. Forscher fanden heraus, dass die Behandlung von Samen mit Ethylengas ihr Wachstum und ihre Stressresistenz verbesserte. Die Entdeckung beinhaltet die Verbesserung der Photosynthese und Kohlenhydratproduktion in Pflanzen und bietet einen potenziellen Durchbruch zur Steigerung der Ernteerträge und zum Schutz vor Umweltstress.
Wie andere Lebewesen können auch Pflanzen gestresst sein. Normalerweise wird dieser Stress durch Bedingungen wie Hitze und Trockenheit verursacht, und wenn sie gestresst sind, kann es sein, dass Pflanzen nicht so groß werden oder nicht so viel produzieren. Dies ist ein Problem für Landwirte, weshalb viele Wissenschaftler versuchen, Pflanzen genetisch zu verändern, um sie widerstandsfähiger gegen Stress zu machen.
Pflanzen, die zur Steigerung der Ernteerträge entwickelt wurden, sind jedoch tendenziell weniger stresstolerant, da sie mehr Energie für das Wachstum als für die Widerstandsfähigkeit gegen Stress aufwenden. Ebenso führt die Steigerung der Widerstandsfähigkeit einer Pflanze gegen Stress häufig zu geringeren Pflanzenerträgen, da sie mehr Energie für den Schutz als für das Wachstum aufwenden. Dieses Rätsel macht es schwierig, die Ernteerträge zu steigern.
Ich habe untersucht, wie das Pflanzenhormon Ethylen das Pflanzenwachstum und die Stressreaktionen reguliert. In einer im Juli 2023 veröffentlichten Studie entdeckte mein Labor ein unerwartetes und aufregendes Phänomen. Wir haben herausgefunden, dass die Zugabe von Ethylen das Samenwachstum und die Stressresistenz verbessert, wenn Samen im Dunkeln (normalerweise unter der Erde) keimen.
Pflanzen können sich nicht bewegen und daher stressigen Umweltbedingungen wie Hitze und Trockenheit nicht entgehen. Sie erhalten von ihrer Umgebung verschiedene Signale wie Licht und Temperatur, die bestimmen, wie sie wachsen, sich entwickeln und auf Stressbedingungen reagieren. Im Rahmen dieser Regulierung produzieren Pflanzen verschiedene Hormone, die Teil des Regulierungsnetzwerks sind, das es ihnen ermöglicht, sich an Umweltbedingungen anzupassen.
Ethylen wurde erstmals vor mehr als 100 Jahren als gasförmiges Pflanzenhormon entdeckt. Untersuchungen haben seitdem gezeigt, dass alle untersuchten Landpflanzen Ethylen produzieren. Neben der Steuerung des Wachstums und der Stressbewältigung ist Ethylen auch an anderen Prozessen beteiligt, beispielsweise an der Verfärbung der Blätter im Herbst und an der Förderung der Fruchtreife.
Mein Labor untersucht, wie Pflanzen und Bakterien Ethylen wahrnehmen und wie Ethylen mit anderen hormonellen Signalwegen interagiert, um das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen zu regulieren. Bei der Durchführung dieser Studie machte mein Forschungsteam eine unerwartete Entdeckung.
Wir haben ein Experiment durchgeführt, bei dem wir Samen in einem dunklen Raum keimen lassen. Die Samenkeimung ist eine kritische Phase im Leben einer Pflanze, in der sich der Samen unter günstigen Bedingungen von einem Ruhezustand in einen Sämling verwandelt.
In diesem Experiment setzten wir Samen mehrere Tage lang Ethylengas aus, um zu sehen, welche Auswirkungen es hatte. Dann entfernen wir das Ethylen. Normalerweise endet das Experiment dort. Nachdem wir jedoch Daten zu diesen Sämlingen gesammelt hatten, überführten wir sie auf einen leichten Wagen. Normalerweise würden wir das nicht tun, aber wir wollten, dass diese Pflanzen erwachsen werden, damit wir Samen für zukünftige Experimente erhalten können.
Nachdem sie die Sämlinge mehrere Tage lang dem Licht ausgesetzt hatten, entdeckten einige Labormitarbeiter etwas Überraschendes und Unerwartetes: Die Pflanzen, die kurzzeitig dem Ethylengas ausgesetzt wurden, waren viel größer. Sie haben größere Blätter und längere, komplexere Wurzelsysteme als Pflanzen, die keinem Ethylen ausgesetzt sind. Diese Pflanzen wachsen während ihres gesamten Lebenszyklus schneller.
Meine Kollegen und ich wollten wissen, ob die Exposition gegenüber Ethylen während der Samenkeimung das Wachstum verschiedener Pflanzenarten stimuliert. Wir haben herausgefunden, dass die Antwort „Ja“ lautet. Wir haben die Wirkung einer kurzfristigen Ethylenbehandlung auf die Keimung von Tomaten-, Gurken-, Weizen- und Rucola-Samen getestet – alle Samen wuchsen.
Was uns jedoch ungewöhnlich und aufregend macht, ist, dass eine kurze Ethylenbehandlung auch die Toleranz gegenüber verschiedenen Belastungen wie Salzstress, hohen Temperaturen und niedrigem Sauerstoffgehalt erhöht.
Die langfristigen Auswirkungen einer kurzen Stimulation auf Wachstum und Stressresistenz werden oft als Primereffekte bezeichnet. Man kann sich das wie das Ansaugen einer Pumpe vorstellen. Der Ansaugvorgang trägt dazu bei, dass sich die Pumpe leichter und schneller ansaugen lässt. In Studien wurde das Wachstum von Pflanzen nach der Grundierung in verschiedenen Altersstufen und Entwicklungsstadien untersucht. Aber die Vorbereitung von Saatgut mit verschiedenen Chemikalien und Drücken ist wahrscheinlich die am besten untersuchte Methode, da sie einfach umzusetzen ist und Landwirte sie anwenden können, wenn das Experiment erfolgreich ist.
Seit diesem ersten Experiment versucht meine Versuchsgruppe herauszufinden, welche Mechanismen es diesen Pflanzen, die Ethylen ausgesetzt sind, ermöglichen, größer zu werden und mehr Stress standzuhalten. Wir haben mehrere mögliche Erklärungen gefunden.
Einer davon ist, dass die Ethylenanregung die Photosynthese steigert, den Prozess, bei dem Pflanzen Licht nutzen, um Zucker herzustellen. Ein Teil der Photosynthese umfasst die sogenannte Kohlenstofffixierung, bei der Pflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbieren und die Kohlendioxidmoleküle als Bausteine für die Herstellung von Zucker verwenden.
Während der Photosynthese und Kohlenstofffixierung absorbieren Pflanzen Sonnenlicht und wandeln es in Zucker um, den sie für ihr Wachstum nutzen. Das Versuchsteam stellte fest, dass die von Pflanzen gebundene Kohlenstoffmenge deutlich zunahm, was bedeutete, dass Pflanzen mehr CO₂ aus der Atmosphäre absorbierten.
Mit der Steigerung der Photosynthese geht ein erheblicher Anstieg des Kohlenhydratgehalts der gesamten Pflanze einher. Dazu gehört ein massiver Anstieg von Stärke, dem Energiespeichermolekül der Pflanze, sowie von Saccharose und Glucose, zwei Zuckern, die Pflanzen schnell mit Energie versorgen.
Eine Zunahme dieser Moleküle in Pflanzen geht mit einem schnelleren Pflanzenwachstum und einer besseren Stressresistenz einher.
Untersuchungen zeigen, dass die Umweltbedingungen während der Keimung tiefgreifende und lang anhaltende Auswirkungen auf Pflanzen haben können, indem sie sowohl ihre Größe als auch ihre Stressresistenz erhöhen. Das Verständnis dieses Mechanismus ist wichtiger denn je, um die Ernteerträge zu steigern und die Weltbevölkerung zu ernähren.
Von Brad Binder, Professor für Biochemie sowie Zell- und Molekularbiologie an der University of Tennessee. Angepasst an einen Artikel, der ursprünglich in The Conversation veröffentlicht wurde.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily