Münster, Germany
December 27, 2019
Germinating mung bean seeds - © Bettina Richter
Plant seeds may strike the casual observer as unspectacular – but they have properties that are nothing short of superpowers. In a dry state they can store their energy for years and then suddenly release it for germination when environmental conditions are favourable. One striking example is the “super bloom” in the Death Valley National Park, when seeds that have endured the dry and hot desert for decades suddenly germinate at rainfall followed by a rare and spectacular desert bloom several months later. Seeds conserve a fully formed embryo, which only continues growing when conditions are right for it to do so. This may be the case only years – or in more extreme cases even centuries – later.
Seed germination is controlled by several plant hormones, which are researched intensely. However, not much was known about the processes that need to take place to allow the hormones to function. How is energy in the seed made available? How can energy metabolism be started early and efficiently? An international team of researchers has now been looking into these questions.
Using a new type of fluorescent biosensors, the researchers observed, in living seed cells, both energy metabolism and the so-called redox metabolism, which relies in sulphur. The researchers discovered that when the seeds came into contact with water, energy metabolism was established in a matter of minutes, and the plant cells’ “power stations” – known as mitochondria – activated their respiration. The researchers also found out which molecular switches are activated to enable energy to be released efficiently – with the so-called thiol-redox switches playing a central role.
“By looking into the very early processes of germination control, we can gain a better understanding of the mechanisms driving seed germination,” says Prof. Markus Schwarzländer from the University of Münster, who led the study. “In future we could think about how such switches could be used in crop biotechnology.” The results of the study could be of relevance in farming, when seeds need to keep their germination vigour for as long as possible on the one hand, but should also germinate in synch and with minimal losses on the other hand. The study has been published in the journal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Background and method:
Seed germination under the fluorescence microscope - © Bettina Richter
In order to be able to observe the activities taking place in the energy metabolism, the researchers visualized under the microscope adenosine triphosphate (ATP), the general currency for energy in the cell, and Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), the electron energy, in the mitochondria. They compared seeds from thale cress: both dry seeds and seeds “imbibed” with water.
To find out whether the redox switches are important for kick-starting germination, the researchers deactivated specific proteins using genetic methods and then compared the reaction shown by the modified seeds with that of the unmodified ones. The researchers allowed the seeds to age artificially in the laboratory, and they saw that the seeds germinated much less actively if they lacked the relevant proteins.
The researchers’ next step involved so-called redox proteome analysis, i.e. they examined the relevant redox proteins in their entirety with the use of biochemical methods. For this purpose, they isolated active mitochondria and flash-froze them in order to be able to study this state directly where the process was taking place. The researchers then used mass spectrometry methods to identify several so-called cysteine-peptides which are important for resource efficiency in energy metabolism.
“The process could be likened to the traffic control system of a large city. Before the rush hour – i.e. germination – starts, which puts large quantities of metabolites ‘on the road’, the traffic light and routing systems need to be switched on in the morning; and here this is done by the thiol redox switches,” explains lead author Dr. Thomas Nietzel, who carried out most of the experiments as part of his PhD at the Institute of Crop Science and Resource Conservation at the University of Bonn and later as a postdoctoral researcher at the Institute of Biology and Biotechnology of Plants at the University of Münster.
Institutions involved and funding:
In addition to the University of Münster, other universities involved in the study were those of Greifswald, Bonn, Heidelberg, Aarhus (Denmark) and Lorraine (France) – as well as the Research Institute of Horticulture and Seeds in Beaucouzé (France) and the Max Planck Institute of Plant Breeding Research in Cologne. The study received financial support from the German Research Foundation (DFG).
Original publication:
T. Nietzel et al. (2019): Redox-mediated Kick-Start of Mitochondrial Energy Metabolism drives Resource-efficient Seed Germination. PNAS; DOI: 10.1073/pnas.1910501117
Further information: Original publication in "PNAS"
Neue Einblicke in die frühesten Ereignisse der Samenkeimung - Thiol-Redox-Schalter regeln, wie Pflanzensamen gespeicherte Energiereserven umsetzen
So unscheinbar Pflanzensamen für manche Betrachter sind, so außergewöhnlich sind ihre Eigenschaften. Im trockenen Zustand können sie über Jahre ihre Energie speichern, um sie bei geeigneten Umweltbedingungen freizusetzen und zu keimen. Ein bekanntes und zugleich beeindruckendes Beispiel hierfür ist der „Super Bloom“ im US-amerikanischen Death-Valley-Nationalpark, wo Samen, die über Jahrzehnte in der trockenen und heißen Wüste überdauert haben, nach Regen schlagartig keimen und einige Monate später zu einem seltenen Blühspektakel führen. Der Samen bewahrt dabei einen fertig geformten Embryo, der erst mit dem Wachsen fortfährt, wenn die Bedingungen ideal dafür sind. Das kann Jahre, in Extremfällen sogar Jahrhunderte später so weit sein.
Kontrolliert wird dieser Vorgang durch eine Vielzahl von Hormonen, die Wissenschaftler intensiv erforschen. Über die Prozesse, die die Hormone überhaupt erst wirksam werden lassen, war bisher sehr wenig bekannt. Wie wird die Energie im Samen verfügbar gemacht? Wie kann der Energiestoffwechsel früh und effizient gestartet werden? Diesen Fragen ist jetzt ein internationales Forscherteam nachgegangen.
Mithilfe neuartiger fluoreszierender Biosensoren beobachteten die Wissenschaftler in den lebenden Zellen von Samen sowohl den Energiestoffwechsel als auch den sogenannten Redox-Stoffwechsel, der auf Basis von Schwefel passiert. Das Ergebnis: Wenn die Samen in Kontakt mit Wasser kamen, baute sich der Stoffwechsel innerhalb von Minuten auf, und die „Kraftwerke“ der Pflanzenzellen (Mitochondrien) aktivierten ihre Atmung. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, welche molekularen Schalter umgelegt werden, um Energie effizient freisetzen zu können – den sogenannten Thiol-Redox-Schaltern kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu.
„Dadurch, dass wir erstmals Einblicke in die ganz frühen Prozesse der Keimungskontrolle bekommen, erhalten wir ein besseres Gesamtverständnis der Mechanismen, die der Samenkeimung zugrunde liegen. In der Zukunft könnte man darüber nachdenken, wie solche Schalter biotechnologisch genutzt werden können“, betont Studienleiter Prof. Dr. Markus Schwarzländer von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). Die Ergebnisse könnten zum Beispiel für die Landwirtschaft relevant sein, wenn Saatgut einerseits lange haltbar, andererseits aber auch synchron und möglichst ohne Verluste keimen soll. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „PNAS“ (Proceedings of the National Academy of Sciences) erschienen.
Hintergrund und Methode:
Um die Aktivitäten des Energiestoffwechsels zu beobachten, machten die Wissenschaftler Adenosintriphosphat (ATP), die generelle Währung für Energie in der Zelle, und die Elektronenenergie, Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH), in den Mitochondrien unter dem Mikroskop sichtbar. Dazu verglichen sie sowohl trockene als auch mit Wasser „gefütterte“ intakte Samen der Ackerschmalwand.
Um herauszufinden, ob die Redox-Schalter wichtig dafür sind, dass die Keimung angekurbelt wird, schalteten die Forscher bestimmte Proteine mithilfe genetischer Verfahren aus und verglichen die Reaktion der veränderten Samen mit unveränderten. Die Wissenschaftler ließen die Samen über ein paar Tage künstlich im Labor altern und beobachteten, dass sie deutlich weniger aktiv keimten, wenn ihnen die betreffenden Proteine fehlten.
In einem weiteren Schritt führten die Biologen eine sogenannte Redox-Proteom-Analyse durch – untersuchten also die Gesamtheit der relevanten Redox-Proteine mithilfe biochemischer Methoden. Dazu isolierten sie aktive Mitochondrien und froren sie sozusagen während ihrer Aktivität ein, um diesen Zustand direkt am Ort des Geschehens untersuchen zu können. Mithilfe anschließender Massenspektrometrie-Verfahren identifizierten die Wissenschaftler mehrere sogenannte Cystein-Peptide, die wichtig für die Ressourceneffizienz des Energiestoffwechsels sind.
„Man kann diesen Prozess mit dem Verkehrssystem einer Großstadt vergleichen. Bevor die Rush-Hour, also die Keimung, losgeht, bei der Stoffwechselprodukte in großen Mengen auf die ‚Straße‘ gelangen, sollten morgens die Ampeln und Leitsysteme eingeschaltet werden – und das übernehmen hier die Thiol-Redox-Schalter“, erklärt Erstautor Dr. Thomas Nietzel. Er führte einen Großteil der Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn und später als Postdoktorand am Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der WWU Münster durch.
Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren neben der WWU die Universitäten Greifswald, Bonn, Heidelberg, Aarhus in Dänemark, Lorraine in Frankreich sowie das ebenfalls französische Institut de Recherche en Horticulture et Semences in Beaucouzé und das Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln beteiligt. Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Originalpublikation:
T. Nietzel et al. (2019): Redox-mediated Kick-Start of Mitochondrial Energy Metabolism drives Resource-efficient Seed Germination. PNAS; DOI: 10.1073/pnas.1910501117
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