Münster, Germany
March 5, 2025
Prof Iris Finkemeier and Dr Guillaume Née in the laboratory
Team led by plant physiologists Iris Finkemeier and Guillaume Née at the University of Münster discovers molecular basis for balance between seed dormancy and stress resistance
To germinate or not to germinate? With plants, the right time to start their life cycle determines their chances of growth. Seed dormancy is an inherent barrier to germination. Its precise alleviation in response to environmental cues, such as prolonged cold exposure or dry storage over time, ensures that seedlings emerge in the appropriate season. This mechanism contributes to ecosystem stability by maintaining a reservoir of quiescent seeds in the soil for years, allowing them to survive adverse conditions unscathed. The molecular mechanisms that control the release of seed dormancy are still poorly understood. A research team led by Dr Guillaume Née and Prof Iris Finkemeier from the Plant Physiology Group at the Institute of Plant Biology and Biotechnology, University of Münster has now shown how a central evolutionary adaptation enables seeds to precisely regulate the time of germination. The seeds are able to germinate and at the same time tolerate environmental stress, i.e. maintain their resistance to adverse conditions. The study has been published in the journal "Science Advances".
Thale Cress seeds during dormancy (left) and after germination. - © Guillaume Née
Guillaume Née, a junior group leader within Prof Iris Finkemeier’s laboratory, is investigating the question of how seeds balance stress responses with the gradual release from dormancy, considering that both processes are modulated by the same plant hormone, namely abscisic acid. This hormone is essential for preventing germination and is known to enable plant responses to various stresses, such as drought. This study reveals a previously unknown molecular signaling pathway that regulates abscisic acid responses independently of the hormone's main signaling mechanisms. This autonomous system, which operates exclusively in dormant seeds, is regulated by the Delay of Germination 1 (DOG1) protein. DOG1 acts as a molecular "fuse" preventing the suppression of abscisic acid responses during seed imbibition, thereby inhibiting germination. Over time in dry storage or in response to environmental cues, the activity of DOG1 gradually diminishes, leading to the termination of abscisic acid responses and the release of germinative capacity. However, since this module operates independently of the core abscisic acid signaling pathway, the hormone's role in stress responses remains unaffected, allowing seeds and seedlings to retain their ability to respond to environmental stress even after dormancy is lifted.
The balance between seed dormancy and stress resistance is an essential evolutionary adaptation that has contributed to the global success of seed plants and is also important for agriculture. Germination characteristics are crucial for food security, influencing both seedling emergence in the field and industrial applications such as malting and baking. "Germination has been a selected trait since the beginning of plant domestication", emphasizes Guillaume Née. "For successful breeding programmes, it is important to understand the evolutionary, genetic and molecular factors that control seed germination." This knowledge makes it possible to find solutions inspired by nature to optimise germination characteristics.
In addition to the group from Münster, scientists from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne and the University of Ghana were also involved in the study. The research team investigated the control of seed dormancy using the example of thale cress (Arabidopsis thaliana) and combined methods from proteomics, molecular and cell biology, physiology, biochemistry and genetics.
The German Research Foundation, the Max Planck Society, the German Academic Scholarship Foundation and the German Academic Exchange Service (DAAD) supported the work financially.
Original publication
Krüger T. et al. (2025): DOG1 controls dormancy independently of ABA core signaling kinases regulation by preventing AFP dephosphorylation through AHG1. Science Advances Vol. 11, Issue 9; DOI: 10.1126/sciadv.adr8502
Original publication in "Science Advances"
Neu entdeckter Signalweg hilft Pflanzen, die Samenkeimung präzise zu steuern
Team um Iris Finkemeier und Guillaume Née entdeckt molekulare Grundlage für Gleichgewicht zwischen Samenruhe und Stressresistenz
Keimen oder nicht keimen? Bei Pflanzen entscheidet der richtige Zeitpunkt, ihren Lebenszyklus zu beginnen, über ihre Wachstumschancen. Die genetisch festgeschriebene Samenruhe verhindert die Keimung zunächst. Als Reaktion auf Umweltsignale wie zum Beispiel längere Kälteeinwirkung oder längere Trockenlagerung wird sie allmählich aufgehoben. So treiben Sämlinge zur richtigen Jahreszeit aus. Der Mechanismus trägt zur Stabilität von Ökosystemen bei, denn er sorgt dafür, dass über Jahre hinweg ein Reservoir an ruhenden Samen im Boden erhalten bleibt. Diese können widrige Bedingungen unbeschadet überstehen. Die molekularen Mechanismen, die die Aufhebung der Samenruhe steuern, sind bislang wenig erforscht. Ein Team unter der Leitung von Dr. Guillaume Née und Prof. Dr. Iris Finkemeier am Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster hat nun gezeigt, wie eine zentrale evolutionäre Anpassung es Samen ermöglicht, den Zeitpunkt der Keimung präzise zu regulieren. Dabei gelingt es den Samen zu keimen und gleichzeitig umweltbedingten Stress zu tolerieren, also ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Bedingungen zu erhalten. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.
Guillaume Née, Juniorgruppenleiter im Team von Iris Finkemeier, befasst sich mit der Frage: Wie können Samen Stressreaktionen ausgleichen und gleichzeitig die Samenruhe allmählich aufheben, wenn man bedenkt, dass beide Prozesse durch dasselbe Pflanzenhormon, nämlich Abscisinsäure, reguliert werden? Das Hormon ist unerlässlich, um die Keimung zu unterdrücken, und ermöglicht die Reaktion der Pflanzen auf verschiedene Stressfaktoren, zum Beispiel Trockenheit. Die neue Studie zeigt einen bisher unbekannten molekularen Signalweg auf, der Abscisinsäure-Reaktionen unabhängig von den Hauptsignalmechanismen des Hormons reguliert. Dieses autonome System, das ausschließlich in ruhenden Samen aktiv ist, wird durch das Protein „Delay of Germination 1 (DOG1)“ reguliert. DOG1 fungiert als eine Art molekularer Sicherungsschalter. Es hemmt die Keimung, indem es die unterdrückende Wirkung der Abscisinsäure aufrechterhält. Im Laufe der Zeit nimmt die Aktivität von DOG1 bei trockener Lagerung oder als Reaktion auf Umwelteinflüsse jedoch allmählich ab, was die hemmende Wirkung der Abscisinsäure aufhebt und die Keimfähigkeit aktiviert. Da dieses Modul jedoch unabhängig vom zentralen Abscisinsäure-Signalweg arbeitet, bleibt die Rolle des Hormons bei Stressreaktionen unberührt. Samen und Sämlinge behalten daher auch nach Aufhebung der Keimruhe ihre Fähigkeit, auf Umweltstress zu reagieren.
Das Gleichgewicht zwischen Samenruhe und Stressresistenz ist eine wesentliche evolutionäre Anpassung, die zum weltweiten Erfolg von Samenpflanzen beigetragen hat und auch landwirtschaftlich von Bedeutung ist. Die Keimungseigenschaften sind wichtig für die Ernährungssicherheit. Sie beeinflussen sowohl das Aufgehen der Sämlinge auf dem Feld als auch industrielle Anwendungen wie das Mälzen (also das kontrollierte Keimen von Braugetreide) und Backen. „Die Keimung ist seit Beginn der Domestizierung von Pflanzen ein ausgewähltes Merkmal zur Selektion von Pflanzen“, betont Guillaume Née. „Für erfolgreiche Zuchtprogramme ist es wichtig, die evolutionären, genetischen und molekularen Faktoren zu verstehen, die die Samenkeimung steuern.“ Dieses Wissen ermögliche es, von der Natur inspirierte Lösungen zur Optimierung der Keimungseigenschaften zu finden.
An der Studie waren neben der Gruppe aus Münster auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln sowie der University of Ghana beteiligt. Das Forschungsteam untersuchte die Steuerung der Samenruhe am Beispiel der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) und kombinierte Methoden der Proteomik sowie der Molekular- und Zellbiologie, Physiologie, Biochemie und Genetik.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Max-Planck-Gesellschaft, die Studienstiftung des deutschen Volkes und der Deutsche Akademische Austauschdienst unterstützten die Arbeit finanziell.
Originalveröffentlichung
Krüger T. et al. (2025): DOG1 controls dormancy independently of ABA core signaling kinases regulation by preventing AFP dephosphorylation through AHG1. Science Advances Vol. 11, Issue 9; DOI: 10.1126/sciadv.adr8502
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