Entschlüsselung der Geheimnisse der Keimruhe von Luzerne durch multispektrale Bildanalyse
Alfalfa (Medicago sativa), gemeinhin "König der Gräser" genannt, ist eine Hülsenfrucht, die in vielen Teilen der Welt als Tierfutter angebaut wird. Sie wird in der Futtermittelindustrie wegen ihres hohen Proteingehalts und Biomasseertrags geschätzt. In jüngster Zeit hat Alfalfa-Protein Anwendungen in der Aquakultur, der Tierfutterindustrie und der menschlichen Ernährung gefunden. Darüber hinaus gilt sie als umweltfreundliche Nutzpflanze, die sich positiv auf die Artenvielfalt und die Erhaltung des Stickstoffs im Boden auswirkt.
Wissenschaftler in China haben nun mithilfe von multispektraler Bildgebung, maschinellem Lernen und "Omics" die Mechanismen hinter der Keimruhe von Alfalfasamen aufgedeckt
m7sanchez
Luzerne produziert zwei Arten von Samen - harte und nicht harte -, die sich nicht deutlich voneinander unterscheiden. Leider lassen sich die harten Samen nicht vermeiden und stellen aus wirtschaftlicher Sicht eine große Herausforderung dar. Harte Samen sind von geringem Wert, da sie die langsame Keimung, die ungleichmäßige Etablierung der Sämlinge, die verstärkte Unkrautkonkurrenz und das Scheitern der Keimung verschlimmern. Bei der Keimruhe - der verzögerten Keimung nach der Embryogenese - gibt es mehrere Arten von Keimruhe. Es wird vermutet, dass die hormonvermittelte physiologische Keimruhe (PD), die harte Aussaat für die physikalische Keimruhe (PD) und die kombinierte Keimruhe (PY+PD) eine Rolle bei der Keimung von Luzerne-Samen spielen.
Bis vor kurzem ging man davon aus, dass die Keimruhe bei Luzerne nur den PY-Typ umfasst. Jetzt haben Wissenschaftler des College of Grassland Science and Technology der China Agricultural University unter der Leitung von Associate Professor Shangang Jia das PY+PD-Muster in dieser Leguminosenart mit Hilfe der Multispektralbildgebung (MSI) in Kombination mit Multi-omics"-Plattformen entdeckt.
Ihre Studie wurde am 31. März 2023 online gestellt und in The Crop Journal veröffentlicht.
Dr. Jia erklärt die Motivation für diese Forschungsarbeit: "Die Untersuchung der Keimruhe in harten und nicht-harten Alfalfa-Samen ist problematisch. Eine vergleichende Untersuchung durch Einweichen der Samen in Wasser - eine Technik, die als Imbibition bezeichnet wird - ist zeitaufwändig und führt dazu, dass die nicht harten Samen keimen. Wir brauchten einen genauen, zerstörungsfreien und durchsatzstarken Ansatz, um tiefere Einblicke zu gewinnen.
Durch die Kombination von MSI mit Multi-omics-Plattformen (Transcriptomics, Metabolomics und Methylomics) entwickelte das Team eine Hochdurchsatztechnik zur Identifizierung von Samen, zum Vergleich des Dormanzmusters und zur Beobachtung von Unterschieden in der Physiologie, dem Stoffwechsel und der Genexpression in harten und nicht-harten Samen.
"Die Technik konnte harte Luzerne-Samen mit einer hohen Genauigkeit von bis zu 100 % identifizieren. Darüber hinaus ergaben die Transkriptom-, Metabolom- und Methylom-Analysen, dass die Reaktion auf Abscisinsäure (ABA) bei harten Luzerne-Samen eine Schlüsselrolle spielt", fügt Jia hinzu.
ABA - ein Hormon, das die Keimruhe fördert - wirkt wie eine Schlaftablette, die die Samen in einem ruhenden Zustand hält. Darüber hinaus bestimmt das Gleichgewicht zwischen ABA und anderen Hormonen wie Indolessigsäure (IAA) und Jasmonsäure (JA) auch den Grad der Samenruhe. Im Vergleich zu nicht-harten Samen waren harte Samen reicher an Antioxidantien und Flavonoiden, Lipiden und Hormonbiosynthesewegen. Darüber hinaus unterstrich die erhöhte Expression von ABA-Genen und die unterschiedliche Methylierung von ABA-empfindlichen Genen in harten Luzerne-Samen die ABA-Reaktionen.
Das Team identifizierte auch nicht-PY-harte Samen, die höhere ABA/IAA- und ABA/JA-Konzentrationen aufwiesen und nach einer Behandlung zur Unterbrechung der Keimruhe nicht keimten. Dieser Befund untermauert die Beteiligung des PD-Musters und deutet darauf hin, dass PY+PD und nicht PY allein für das Scheitern der Keimung von harten Luzerne-Samen verantwortlich ist.
"Wir glauben, dass wir einen theoretischen und technischen Rahmen für die Erforschung der Keimruhe von Alfalfasamen geschaffen haben, und unsere Ergebnisse könnten sicherlich die optimale Verarbeitung dieser Samen in der Alfalfasaatgutindustrie leiten", schließt Jia mit einem Anflug von Begeisterung.
Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass ihre Ergebnisse einen starken Einfluss auf die zukünftige Forschung haben werden und immense wirtschaftliche Auswirkungen haben könnten.
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