Vom Samen zum Keimling

Wie schaffen es Samen bei der Keimung, vom Ruhezustand direkt ins Wachstum überzugehen? Wissenschaftler haben eine wichtige Schlüsselkomponente dafür entdeckt. Er sorgt dafür, dass der Embryo binnen zwei Tagen ohne die Energiereserven im Samen auskommt.

Es ist ein Wettlauf gegen die Zeit: In gerade einmal 48 Stunden muss sich ein Embryo im Samen zu einem jungen Keimling entwickeln, der sich selbständig über Photosynthese mit Energie versorgen kann. Gelingt ihm das nicht, stirbt er. Die eigenen Reserven reichen nämlich nur für zwei Tage. In dieser Zeit muss der Keimling vor allem funktionsfähige Chloroplasten ausbilden, um mithilfe von Sonnenlicht Zucker für die Energieversorgung herstellen zu können. Forscher haben nun herausgefunden, welche Schlüsselelemente für die Bildung von Chloroplasten aus Proplastiden verantwortlich sind.

„Dies ist eine kritische Phase im Leben einer Pflanze, die durch das Wachstumshormon Gibberellinsäure (GA) stark reguliert wird. Die Produktion dieses Hormons wird bei ungünstigen äußeren Bedingungen unterdrückt", erklärt Luis Lopez-Molina.

Protein TOC159 steuert den Import von anderen Proteinen

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Erwacht der Embryo aus seinem Schlaf, entwickeln sich die Proplastiden zu Chloroplasten. Diese benötigt der Keimling, um selbst Energie herzustellen. Doch was passiert genau während dieses, bislang nur wenig untersuchten Übergangsprozesses? „Tausende verschiedene Proteine müssen in die sich entwickelnden Chloroplasten importiert werden. Dieser Prozess kann nur in Gegenwart eines DELLA-Proteins namens TOC159 stattfinden. Fehlt dieses Protein, kann die Pflanze keine Chloroplasten bilden“, fasst Felix Kessler die zentrale Erkenntnis der Studie zusammen.

In die Tonne, bis es passt

Die Auskeimung ist für Samen ein großes Risiko. Denn mit der Keimung verlässt der Embryo seinen geschützten Zustand. In diesem verletzlichen Stadium ist er der Außenwelt schonungslos und ohne Rückfahrkarte ausgeliefert. Doch wie entscheidet der Samen, ob er den Embryo im geschützten Zustand hält oder ihn keimen lässt? „Wir haben entdeckt, dass der Samen einen Mechanismus einrichtet, der TOC159-Proteine in eine zelluläre Mülltonne transportiert, wo sie abgebaut werden. Das passiert, solange GA unterdrückt wird“, erklärt Venkatasalam Shanmugabalaji.

Hohe GA-Konzentrationen blockieren Abbau von TOC159-Proteinen

Indem die TOC159-Proteine „entsorgt“ werden, unterbindet der Samen die Bildung von Chloroplasten sowie den Import von Proteinen, die er erst mit dem Start der Photosynthese benötigen würde. Sind die Umweltbedingungen aber günstig für eine erfolgreiche Auskeimung, steigt die GA-Konzentration im Samen an, infolgedessen die TOC159-Proteine aktiv werden. Die Biologen entdeckten außerdem, dass hohe GA-Konzentrationen auch den Abbau von TOC159-Proteinen indirekt blockieren.

Durch das Abpassen und Ausnutzen des richtigen Zeitpunkts zur Keimung gelang es den Blütenpflanzen, selbst unwirtliche Regionen der Erde zu besiedeln. Der nun aufgedeckte Mechanismus spielte dabei eine zentrale Rolle. Die Arbeit der Forscher liefert der Grundlagenforschung nun wichtige neue Details über diesen zentralen Hochleistungsmechanismus.