Münster. Trockene Pflanzensamen können jahrelang ruhen und nach der Aufnahme von Wasser dennoch sehr schnell keimen. Ein Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Münster hat nun genauer untersucht, wie die dafür benötigte Energie so kurzfristig bereitsteht. Entscheidend sind die Mitochondrien, also die für die Energieversorgung der Zellen zuständigen Strukturen.
Die Ergebnisse widersprechen teilweise bisherigen Vorstellungen über den Zustand dieser Mitochondrien in trockenen Samen. Demnach liegen sie nicht erst als unfertige Vorstufen vor. Stattdessen besitzen sie bereits vor der Keimung wesentliche Strukturen und Proteine, die für einen schnellen Start notwendig sind.
Für die Untersuchung arbeitete die Universität Münster mit Forschenden aus Hannover und Halle zusammen. Im Mittelpunkt stand zunächst die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, die häufig als Modellpflanze in der biologischen Forschung eingesetzt wird.
Das Team stellte fest, dass die Mitochondrien bereits in trockenen Samen eine ausgebildete innere Struktur besitzen. Dazu gehören eine äußere und eine innere Membran sowie zahlreiche Einstülpungen innerhalb der Mitochondrien. Frühere Untersuchungen hatten dagegen darauf hingedeutet, dass sich diese Strukturen erst während der Keimung vollständig entwickeln.
Die vorhandene Ausstattung ermöglicht es den Mitochondrien offenbar, schon wenige Minuten nach der Wasseraufnahme mit ihrer Arbeit zu beginnen. Dann setzt die Zellatmung ein. Dabei greift der Keimling auf gespeicherte Kohlenhydrate, Proteine und Fette zurück und gewinnt daraus die Energie für sein Wachstum.
Auch auf molekularer Ebene sind die Voraussetzungen bereits vorhanden. Nach Angaben der Universität Münster verfügen die Mitochondrien im trockenen Samen über die Proteine, die sie für die Zellatmung benötigen. Der Pflanzenembryo muss diese Ausstattung deshalb nicht erst vollständig neu aufbauen.
Die schnelle Aktivierung könnte erklären, wie Pflanzen nach längeren Ruhephasen rasch auf günstige Umweltbedingungen reagieren können. Trockene Samen enthalten häufig weniger als zehn Prozent Feuchtigkeit. Trotzdem können sie über lange Zeit lebensfähig bleiben und ihre Entwicklung nach erneuter Wasseraufnahme fortsetzen.
Die Forschenden beschränkten ihre Untersuchungen nicht auf die Ackerschmalwand. Zusätzlich analysierten sie unter anderem Raps, Kolbenhirse und Tomaten. Nach Einschätzung des Teams sprechen die Ergebnisse dafür, dass der schnelle Start bereits vorbereiteter Mitochondrien bei zahlreichen Blütenpflanzen vorkommt.
Besonders interessant sind sogenannte orthodoxe Samen. Diese können stark austrocknen, ohne ihre Keimfähigkeit grundsätzlich zu verlieren. Die Wissenschaftler vermuten, dass die dafür nötigen Mechanismen im Laufe der Evolution erhalten geblieben sind.
Das Team identifizierte außerdem mehrere Proteine, die nach Angaben der Universität Münster zum Schutz der Mitochondrien während der Trockenphase beitragen. Forschungsleiterin Iris Finkemeier vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen sieht darin einen möglichen Ansatzpunkt für weitere Untersuchungen.
Sollte künftig genauer geklärt werden, wie diese Proteine zusammenarbeiten, könnten sich daraus auch praktische Anwendungen ergeben. Denkbar wäre laut Universität etwa, die Lagerfähigkeit von Saatgut besser zu verstehen und langfristig widerstandsfähigere Samen von Nutzpflanzen zu entwickeln.
Für die Studie kamen verschiedene Analyseverfahren zum Einsatz. Dazu gehörten hochauflösende mikroskopische Methoden, Massenspektrometrie und Verfahren zur Untersuchung der Gesamtheit der vorhandenen Proteine. Finanziell unterstützt wurde die Forschung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Die Ergebnisse wurden 2026 unter dem Titel „Seed mitochondria are equipped with cristae and a full proteome to kickstart germination“ im Fachjournal Current Biology veröffentlicht.
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