Ausgefallene Vermehrung, kontrollierte Ruhephase ... Samen sind sehr intelligent, um sich zu vermehren!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Yu, Zhao Jun (Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Gutachter: Liu Yongxiu (Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Auf unserem blauen Planeten gibt es Pflanzen in allen Formen und Größen. Frühlingsorchidee, Sommerlotus, Herbstchrysantheme, Winterpflaume … sie verschönern die vier Jahreszeiten und bereichern unser Leben.

Samen sind Ausdruck der Weisheit der Pflanzen. Sie sind Hoffnungsträger der Bevölkerung, verbreiten sich auf verschiedene Weise an für das Wachstum geeignete Orte und keimen zum richtigen Zeitpunkt, wodurch der Fortbestand der Pflanzenpopulation gewährleistet wird. Der Mechanismus der Samenvermehrung und Keimung zeigt die wunderbare Weisheit der Pflanzen in der Natur bei der Anpassung an die Umwelt und ist auch ein wichtiges Thema, dem die wissenschaftliche Gemeinschaft schon lange Aufmerksamkeit schenkt.

Es gibt viele Möglichkeiten, Samen zu verbreiten

Samenpflanzen haben verschiedene Wege entwickelt, die der Samenverbreitung förderlich sind. Sie nutzen verschiedene Kräfte in der Natur, um die Nachkommen zu verbreiten und den Samen zu ermöglichen, eine für die Keimung geeignete Umgebung und einen geeigneten Raum zu erreichen, wie etwa die Verbreitung durch Wind, Wasserströmungen, Katapulte und Tiere.

Manche Pflanzen bauen „kleine Flügel“ für ihre Samen, damit der Wind sie weit wegtragen kann; Manche Samen sind von Natur aus „gute Schwimmer“, die auf dem Wasser schwimmen und in eine neue Umgebung treiben können, um dort Wurzeln zu schlagen und zu sprießen, wie beispielsweise Kokosnüsse und Lotusschoten.

Windausbreitung und Wasserausbreitung

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Zoonotische Kommunikation kann als eine Transaktion zwischen Pflanzen und Tieren betrachtet werden. Tiere fressen die Früchte der Pflanze und scheiden die Samen anschließend woanders aus. Auf diese Weise bekommen die Tiere Futter und die Samen „Tickets“. Eichhörnchen sammeln und lagern beispielsweise Pinienkerne, die entweder gegessen oder vergessen werden oder verloren gehen. Unter anderem können Pinienkerne, die aus dem Maul der Ratte „entkommen“, an neuen Stellen Wurzeln schlagen und sprießen. Darüber hinaus gibt es noch eine weitere Pflanze, die sich der Übertragung durch Tiere bedient: Xanthium sibiricum, das sich mit Gewalt ansteckt.

Übertragung durch Tiere

(Bildquelle: Referenz 1)

Darüber hinaus platzen die Früchte mancher Pflanzen, wenn sie reif sind, und schleudern die Samen in alle Richtungen. Auf diese Weise werden beispielsweise Melonen-, Erbsen- und Rapssamen ausgebracht.

Katapultausbreitung (Videoquelle: Bildkonvertierung des Smithsonian Channel)

Um sich an die instabile Umgebung von Ebbe und Flut in der küstennahen Gezeitenzone anzupassen, haben Mangrovenpflanzen im Laufe der langen Evolution eine einzigartige „viviparische“ Fortpflanzungsstrategie entwickelt. Durch diese Strategie beginnen die Samen bereits in der Frucht zu keimen und entwickeln sich zu einer stäbchenförmigen Embryonalachse. Wenn sich das Hypokotyl bis zu einem gewissen Grad entwickelt hat, wird es sich vom Mutterbaum trennen und unter der Einwirkung der Schwerkraft in den Schlamm am Strand fallen, wo es schnell Wurzeln schlägt und zu einem neuen Individuum heranwächst. Dieses Phänomen der Lebendgebärfähigkeit ist eine wichtige Anpassung der Mangrovenpflanzen an Küstenlebensräume. Es stellt sicher, dass sich die Pflanzen in salzreichen, sauerstoffarmen Sumpfgebieten effektiv vermehren und überleben können.

Mangroven „lebendgebärende“ Pflanzen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Die Entstehung und Aufhebung der Samenruhe steckt voller Weisheit!

Nicht nur Tiere halten Winterschlaf (wie beispielsweise die Ruheeigenschaften befruchteter Eier von Fischen und Garnelen), sondern auch Samen im Pflanzenreich halten Winterschlaf.

Samenruhe ist eine biologische Eigenschaft, die die Keimung lebensfähiger Samen selbst unter günstigen Umweltbedingungen verhindert. Bei dieser Eigenschaft handelt es sich um einen Selbstschutzmechanismus, den Pflanzen im Laufe der langen Evolution entwickelt haben, um widrigen natürlichen Umgebungen standzuhalten. Die Samenruhe trägt dazu bei, die Lebensdauer der Samen zu verlängern und ihre Verbreitungsdistanz zu erhöhen, wodurch die räumliche Verteilung der Pflanzenpopulationen erweitert wird. Darüber hinaus kann der Ruhezustand verhindern, dass Samen in kurzer Zeit in großer Zahl keimen, die innerartliche Konkurrenz verringern und die Fähigkeit der Population verbessern, sich an Umweltveränderungen anzupassen.

Innerhalb derselben Art variiert die Samenruhe zwischen verschiedenen Ökotypen erheblich. Am Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana haben die Samen des Ökotyps Col-0 eine kürzere Ruheperiode von nur etwa 2 Wochen, während die Samen des Ökotyps Cvi eine längere Ruheperiode haben, die bis zu einem halben Jahr dauern kann. Dieser Unterschied könnte mit den klimatischen Bedingungen am Ursprungsort des Ökotyps Cvi zusammenhängen, der ursprünglich in den tropischen Wüstengebieten Afrikas wuchs, wo die Umweltbedingungen relativ hart sind. Die Samenruhe ist eine wichtige biologische Strategie, die sicherstellt, dass die Samen zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Umgebung keimen können, wodurch die Überlebens- und Reproduktionsrate erhöht wird. Es handelt sich um einen ausgeklügelten Selbstschutzmechanismus der Pflanzen zur Anpassung an die Umwelt.

Verschiedene Ökotypen führen zu Unterschieden in der Samenruhe

(Fotoquelle: bereitgestellt von Yang Yue)

In den späteren Stadien der Samenentwicklung bildet sich allmählich eine Samenruhe, da die Samen austrocknen. Studien haben ergeben, dass die Umgebungstemperatur während des Samenbildungsprozesses einen erheblichen Einfluss auf den Grad der Samenruhe hat. Beispielsweise weisen Samen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die bei niedrigeren Temperaturen gebildet werden, einen hohen Ruhezustand auf; Umgekehrt ist bei hohen Temperaturen die Keimruhe gering. Dies hängt mit der Ansammlung des durch niedrige Temperaturen induzierten Ruhefaktors DOG1 zusammen, der die Vertiefung der Samenruhe fördert.

Darüber hinaus haben Pflanzenhormone auch einen wichtigen Einfluss auf die Ausbildung der Samenruhe. Sie sind äußerst spurenhafte Verbindungen, die in Pflanzen produziert werden und viele physiologische Prozesse regulieren können. Unter ihnen spielt Abscisinsäure eine Schlüsselrolle bei der Bildung der Samenruhe, während Gibberelline für die Förderung der Samenkeimung sehr wichtig sind. Das relative Gleichgewicht zwischen beiden bestimmt die Samenruhe und Keimung. Es ist erwähnenswert, dass Gibberelline nicht die Keimung aller Pflanzensamen fördern. So haben beispielsweise die Samen parasitärer Pflanzen einzigartige Mechanismen entwickelt, die auf der Wahrnehmung von Strigolacton (SL) beruhen, das vom Wirt abgesondert wird, um die Keimung einzuleiten. Strigolacton ist eine Klasse von Sesquiterpenoid-Pflanzenhormonen, die aus Carotinoiden gewonnen werden. Seine Funktion besteht darin, die Verzweigung der Pflanzen zu regulieren und die Symbiose zwischen Pflanzen und arbuskulären Mykorrhizapilzen zu fördern. Der Name kommt daher, dass es die Keimung der Samen der parasitären Pflanze Strigolacton fördern kann.

Samenruhe und Keimung

(Bildquelle: vom Autor anhand der Literatur gezeichnet)

Samen tragen die Erinnerung an das Wachstum und die Entwicklung der Mutterpflanze in sich. Ihre besondere Struktur ist wie ein Code, der den Kontakt mit Wasser, Gas und anderen für die Keimung notwendigen Bedingungen bis zu einem gewissen Grad verhindert und so einen Ruhezustand herbeiführt. Um das Verständnis zu vereinfachen, können wir die Samenruhe in zwei Hauptkategorien unterteilen: eine ist die physikalische Ruhe der Samen, die durch die strukturellen Eigenschaften der Samenschale oder des Perikarps verursacht wird, die die Wasseraufnahme und Luftdurchlässigkeit der Samen beeinträchtigen oder das Wachstum des Embryos begrenzen; Die andere ist die physiologische Keimruhe der Samen, die durch den Samenembryo selbst verursacht wird und unter anderem eine unvollständige Embryonalentwicklung, eine unvollständige physiologische Nachreife und das Vorhandensein von Substanzen umfasst, die die Keimung hemmen.

Auch in der Natur ist das Auftauchen von Samen aus der Ruhephase ein intelligenter Prozess. Samen nutzen natürliche Umweltveränderungen wie den Wechsel der Jahreszeiten, Wind, Frost, Regen, Schnee, Licht- und Temperaturzyklen sowie das Nagen von Tieren und die Aktivität von Mikroben voll aus, um die physische und physiologische Keimruhe wirksam zu beenden und auf den richtigen Zeitpunkt zum Keimen zu warten.

Allmählich reifende Ginkgosamen

(Bildquelle: Referenz 2)

Die Geschichte vom Dodo und dem Olivenbaum ist ein klassisches Beispiel dafür, wie Tiere Pflanzensamen beim Keimen helfen. Der Dodo, ein flugunfähiger Vogel, der einst auf der Insel Mauritius lebte, wurde aufgrund der Ankunft westlicher Kolonisten wahllos gejagt und starb schließlich aus, was wiederum zur Verschlechterung der ökologischen Umwelt der Insel führte. Der Olivenbaum ist eine Baumart auf der Insel Mauritius. Seine Samen benötigen die Hilfe des Verdauungssystems des Dodos, um die Samenschale (Fruchtschale) zu schwächen, damit sie problemlos keimen können. Das Aussterben des Dodos hatte zur Folge, dass die Samen des Großschädel-Olivenbaums nicht mehr richtig verarbeitet werden konnten, was wiederum zum allmählichen Absterben der Großschädel-Olivenbaumwälder führte.

Erst 1981 entdeckten Wissenschaftler, dass sie die Keimung der Samen des Großköpfigen Olivenbaums fördern konnten, indem sie den Verdauungsprozess des Dodos nachahmten. Diese Entdeckung gibt Anlass zur Hoffnung für den Schutz des Großschädel-Olivenbaums und macht den Menschen zugleich bewusst, dass jedes Glied im Ökosystem sehr wichtig ist und der Verlust eines bestimmten Tieres oder einer bestimmten Pflanze eine irreversible Kettenreaktion auslösen kann. Derzeit wird das einzige noch erhaltene Weichteilexemplar eines Dodos auf der Welt im Oxford University Museum of Natural History aufbewahrt. Das Museum verwendet außerdem das Cartoon-Bild des Dodos als Logo, um dieser Art zu gedenken und die Menschen daran zu erinnern, auf den Schutz der Artenvielfalt zu achten.

Dodo-Weichteilexemplar und das Logo des Oxford University Museum of Natural History

(Bildquelle: Naturhistorisches Museum)

Samen regulieren ihre Lebensprozesse durch die Wahrnehmung von Licht und Temperatur

Die Samen, die sich niedergelassen haben, warten darauf, aus der Ruhephase erweckt zu werden und die nächste Phase ihres Lebens zu beginnen. Wasser und eine geeignete Temperatur sind notwendige Voraussetzungen für die Keimung von Samen. Die Temperatur liefert den Samen nicht nur Informationen über die Jahreszeit und das lokale Mikroumfeld, sondern beeinflusst auch den Verlauf enzymatischer Reaktionen während des Keimprozesses. Samen spüren Temperaturänderungen und passen ihre Lebensprozesse ständig entsprechend an.

Bei der Untersuchung der Modellpflanze Arabidopsis entdeckten Wissenschaftler, dass das lichtempfindliche Pigment phyB nicht nur ein Rezeptor für die Wahrnehmung von rotem Licht ist und somit als „Augen“ der Pflanzen fungiert, sondern auch ein Rezeptor für die Temperaturmessung. Wenn die PhyB-Funktion verloren geht, reagiert die Samenkeimung empfindlicher auf hohen Temperaturstress und die Samenkeimrate sinkt stark. Der Grund dafür ist, dass hohe Temperaturen den Gehalt an aktivem Phytobakterium allmählich verringern und den Gehalt an ABA, einem Keimhemmer in Samen, erhöhen.

Temperatursensitivität der Samenkeimung

(Bildquelle: Referenz 3)

Waldbrände können sie nicht löschen, Frühlingsbrisen bringen neues Leben: die molekulare Weisheit der Samen

Nach einem Waldbrand erholt sich die Vegetation allmählich, ohne dass der Mensch eingreifen muss. Wenn Pflanzen verbrennen, verwandeln sich ihre Körper in Asche, doch diese Asche birgt das Geheimnis der Geburt neuen Lebens. Beim Verbrennen von Pflanzen entsteht ein kleines Molekül namens Karrikin. Mit den ersten starken Regenfällen nach den Bränden wird Karrijin in den Boden sickern und die Keimung der Samen im Boden stark fördern.

Walderholung nach Brand

(Bildquelle: Referenz 4)

Kalijin in der Waldasche fördert die Samenkeimung

(Bildquelle: Referenz 5)

Auch das Wachstum nach der Samenkeimung ist voller Einfallsreichtum

Nachdem die Samen gekeimt sind, müssen sich die Setzlinge an die dunkle Umgebung anpassen und den mechanischen Druck des Bodens überwinden, bevor sie durch den Boden brechen können. Wenn der Sämling vollständig in der Erde ist, ist er auf die verbleibenden Nährstoffe im „Kraftstofftank“ angewiesen, um „seinen Kopf einzugraben“ und nach oben zu sprinten. Der „eingegrabene“ Zustand der geschlossenen und nach unten gebogenen Keimblätter verringert den Bodendruck beim Wachstum im hinteren Bereich und schützt zudem das empfindliche Apikalmeristem. Beim Durchbrechen des Bodens ist der Zustand „eingegrabener Kopf“ auch hilfreich, um schwere Gegenstände über den Setzlingen wegzuschieben und so die Setzlinge zusätzlich zu schützen. Schließlich öffnet der Keimling seine Keimblätter und beginnt sein Leben außerhalb der Erde. „Wenn ein Samenkorn des Lebens nicht auf fruchtbaren Boden, sondern auf Schutt fällt, wird es niemals pessimistisch sein oder seufzen. Es glaubt, dass nur durch Widerstand Mäßigung möglich ist.“ In einem so winzigen Samen steckt so große Weisheit!

Sämlinge brechen durch den Boden

(Bildquelle: Referenz 6)

Abschluss

Nach Milliarden von Jahren der Evolution hat sich allmählich ein stabiles und überlebensfähiges Ökosystem gebildet. In diesen Ökosystemen hat jede Lebensform ihre eigene Überlebensphilosophie für ihr eigenes Überleben und ihre Fortpflanzung entwickelt, um widrigen Umgebungen aus dem Weg zu gehen oder ihnen zu widerstehen, sich an die Umwelt anzupassen und die Harmonie mit der Umwelt aufrechtzuerhalten.

Samenpflanzen sind eine hochentwickelte Gruppe im Pflanzenreich und bilden den Hauptbestandteil der grünen Vegetation auf der Erdoberfläche. Sie alle spiegeln den Einfallsreichtum der Natur hinsichtlich Samenbildung, Struktur, Form, Vermehrungsmethoden, Samenruhe und Keimmechanismen wider.

Und dies ist nur die Spitze des Eisbergs der reichen biologischen Ressourcen der Natur. Es gibt noch mehr „Weisheiten“ der Natur, die darauf warten, von uns entdeckt, gelernt und studiert zu werden. Der Weg ist noch lang und die Wegbereiter sind noch immer auf dem Vormarsch.

Quellen:

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3. Piskurewicz, U., Sentandreu, M., Iwasaki, M., Glauser, G. und Lopez-Molina, L. (2023). Das Arabidopsis-Endosperm ist ein temperaturempfindliches Gewebe, das durch PhyB eine Thermoinhibition der Samen bewirkt. Nature Communications 14, 1202.

4. Abella, SR, und Fornwalt, PJ (2015). Zehn Jahre Vegetationsaufbau nach einem Großbrand in Nordamerika. Global Change Biology 21, 789-802.

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6. Shi, H., Lyu, M., Luo, Y., Liu, S., Li, Y., He, H., Wei, N., Deng, XW und Zhong, S. (2018). Genomweite Regulierung der lichtgesteuerten Keimlingsmorphogenese durch drei Familien von Transkriptionsfaktoren. Verfahren der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten von Amerika 115, 6482-6487.