Resilienz ist die wichtigste Überlebensstrategie von Pflanzen. Aufgrund ihrer sessilen Lebensweise können sie widrigen Wachstumsbedingungen nicht entkommen und sind daher auf Toleranz- und Regenerationsmechanismen angewiesen, um Stressereignisse zu überstehen. Längere Dürreperioden und Hitzewellen sowie Bodendegradation nehmen weltweit zu und bedrohen Ökosysteme und Ernteerträge. Die Entwicklung von Strategien zur Steigerung der Stressresistenz von Pflanzen ist daher wichtiger denn je, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten und unsere Umwelt zu schützen. Neben konventioneller Züchtung oder Gentechnik, die zeitaufwändig und arbeitsintensiv sind und Umwelt- und Sicherheitsrisiken bergen können, werden nachhaltigere und kostengünstigere Lösungen benötigt, um die Stresstoleranz von Pflanzen zu erhöhen.
Junge Pflanzensämlinge sind während der Keimung und des Auflaufens besonders anfällig für Stress. Die Behandlung des Saatguts mit chemischen oder biologischen Mitteln vor der Aussaat, um die Pflanzen frühzeitig auf zukünftigen Stress vorzubereiten, kann eine wirksame Strategie sein, um ihr Wachstum und ihre Widerstandsfähigkeit zu steigern. Die Idee, das Wachstum von Sämlingen durch Saatgutbehandlung anzuregen und sie gegen Stress abzuhärten, ist nicht neu, sondern wird von Landwirten und Gärtnern seit Jahrtausenden angewendet. Der römische Naturforscher Plinius der Ältere (auch bekannt als Gaius Plinius Secundus) und seine Agrarwissenschaftlerkollegen experimentierten mit Das Einweichen von Samen in mit Honig, verdünntem Mist oder „dem Saft der Dachziegelpflanze“ gesüßtem Wasser verbessert deren Keimung.Plinius stellte außerdem fest, dass Kohlpflanzen immun gegen Insekten werden, wenn die Samen vor der Aussaat in Hauswurzsaft eingeweicht werden. Damit war er wahrscheinlich der Erste, der über eine verbesserte Stresstoleranz durch Saatgutbehandlung berichtete.
Dieses alte Wissen blieb zwar erhalten, wurde aber erst in den 1970er Jahren weiter erforscht, als das wissenschaftliche Interesse an der Samenphysiologie zunahm und neue Saatgutbehandlungsmethoden entwickelt und an verschiedenen Pflanzenarten getestet wurden. In seinem wegweisenden Werk „Germination of an idea: the priming of seeds“ (Die Keimung einer Idee: Die Vorbehandlung von Samen) prägte der in Nottingham ansässige Forscher Walter Heydecker den Begriff „Priming“ für die Saatgutbehandlung. Kontrollierte Vorbefeuchtung des Saatguts mit anschließender Trocknung zur Einleitung der Stoffwechselaktivität, ohne die vollständige Keimung auszulösenDies führt zu einer verbesserten Keimungsgeschwindigkeit, -gleichmäßigkeit und Keimlingsvitalität. Seine nachfolgende Arbeit „Invitation of seeds?“ war noch vorsichtig als Frage formuliert, doch fünf Jahrzehnte Forschung zu den Wirkungen und der Physiologie der Saatgutvorbehandlung später können wir das Fragezeichen getrost durch einen Punkt ersetzen.
In einer kürzlich veröffentlichten Rezension in der Zeitschrift für experimentelle Botanik, Dr. Gholamreza Gohari und Kollegen Saatgutpriming-Ansätze für eine klimaresistente Landwirtschaft zusammenfassen und diskutierenDie Autoren stellen verschiedene Techniken mit unterschiedlichen chemischen und biologischen Priming-Mitteln sowie deren Wirkungsweisen vor. Ein Schlüsselmechanismus für die positiven Effekte des Saatgutprimings ist die Reparatur von DNA-Schäden, die während der Lagerung entstanden sein können. Dies führt zu verbesserter Keimung und schnellerem Auflaufen der Sämlinge. Priming aktiviert zudem antioxidative Enzyme, die essenzielle Bestandteile der Stresstoleranzreaktion sind, um die übermäßige Ansammlung reaktiver Sauerstoffspezies zu reduzieren. Weitere Schutzmoleküle wie Hitzeschockproteine und Osmolyte werden als Reaktion auf Saatgutpriming vermehrt synthetisiert und können Zellstrukturen unter Stress schützen und reparieren. Eine vielversprechende neue Entwicklung ist die Verwendung von Nanopartikeln mit einer Größe von unter 100 nm als Priming-Mittel. Aufgrund ihrer besonderen physikochemischen Eigenschaften könnten sie das Sämlingswachstum noch effizienter fördern und die Stressresistenz erhöhen. Bevor Nanopriming kommerzialisiert werden kann, sind jedoch weitere Forschungen erforderlich, um die Langzeitwirkungen auf Pflanzen in der Landwirtschaft und die umliegenden Ökosysteme zu untersuchen.
Ein erfolgreiches Beispiel für die Saatgutvorbehandlung zur Steigerung der Stresstoleranz von Tomaten. wurde kürzlich von einem Team unter der Leitung von Dr. Luca Giovannini vorgestellt. Die Autoren testeten die natürlichen Verbindungen Chitosan und Salicylsäure, ein Pflanzenhormon, als Priming-Mittel, entweder allein oder in Kombination mit einer Bodenimpfung mit arbuskuläre MykorrhizapilzeJunge Tomatenpflanzen wurden Trockenheit oder Salzstress ausgesetzt, die das Pflanzenwachstum stark beeinträchtigen können. Anschließend wurden ihre physiologischen und metabolischen Stressreaktionen analysiert. Die Autoren fanden synergistische Effekte, die dazu führten, dass vorbehandelte Pflanzen in Kombination mit Mykorrhiza-Impfung gegenüber beiden Stressbedingungen toleranter waren als unbehandelte Pflanzen oder Pflanzen, die nur mit Vorbehandlungsmitteln behandelt wurden. Neben anderen physiologischen Anpassungen wurden die antioxidativen und osmoprotektiven Mechanismen der Pflanzen hochreguliert, wodurch sie besser auf Wassermangel bzw. Bodenversalzung reagieren konnten. Besonders wichtig ist, dass die verbesserte Stresstoleranz mehrere Wochen nach der Aussaat getestet wurde, was die lang anhaltenden positiven Effekte der Saatgutvorbehandlung unterstreicht.
Die Wissenschaft hat seit dem mysteriösen „Dachziegel-Pflanzensaft“ im alten Rom einen langen Weg zurückgelegt, bis hin zu unserem heutigen Verständnis der molekularen Prozesse, die den positiven Effekten der Saatgutvorbehandlung zugrunde liegen. Diese Vorbehandlung bereitet Pflanzen auf Umweltbelastungen vor, denen sie begegnen können. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, benötigen wir jedoch weiterhin ein besseres Verständnis der Effekte der Saatgutvorbehandlung, insbesondere in unterschiedlichen Kontexten. Sowohl die Übersichtsarbeit von Gohari als auch die Arbeit von Giovannini zeigen, dass die Effekte der Saatgutvorbehandlung je nach Pflanzenart, Umgebung, Vorbehandlungsmittel und Anwendungsmethode stark variieren können. Zukünftige Forschung muss sich auf die Effekte der Saatgutvorbehandlung unter verschiedenen Bedingungen und unter kombinierten Stressbehandlungen konzentrieren, die natürlichen Wachstumsbedingungen ähneln. Ziel ist es, effektive und nachhaltige Ansätze zur Minderung von Stresseffekten im Feld zu entwickeln und widerstandsfähigere Nutzpflanzen anzubauen.
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Giovannini L, Pagliarani C, Cañizares E, et al.. 2024 Mykorrhizierung und chemische Saatgutvorbehandlung steigern die Stresstoleranz von Tomaten durch die Veränderung primärer und defensiver Stoffwechselwege. Zeitschrift für experimentelle Botanik 76: 6410-6433. https://doi.org/10.1093/jxb/erae457
Gohari GSpanos A, Ioannou A, et al.. 2025 Saatgutvorbehandlungsverfahren für eine klimaresistente Landwirtschaft. Zeitschrift für experimentelle Botanik 77: 2013-2026. https://doi.org/10.1093/jxb/eraf440
Titelbild: Tomatensämling von Jonathan Billinger (Wikimedia Commons).
