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Alles lernen über cannabissamen keimen

 

Der Schlaf und das Erwachen von Hanfsamen

The sleeping and waking of cannabis seeds
 

Abteilung Pflanzenzüchtung und Genetik
Institut für Hanfzüchtungsforschung, Berlin

Zusammenfassung
Lebensfähige Hanfsamen sind nicht immer in der Lage, sofort zu keimen und können zwischen einem schlafenden (Dormanz) und einem wachen Zustand wechseln. Dormanz verhindert eine Keimung unter umweltbedingt ungünstigen Bedingungen, jedoch die meisten unserer Cannabispflanzen haben diese Fähigkeit verloren. Die molekularen Mechanismen, die sich hinter der Dormanz verbergen, sind noch weitgehend unerforscht. Die Hanf Hanfsame Group hat Komponenten für diese Kontrolle dank Isolation von bestimmten Dormanz-Genen identifiziert.
 

Hanfsamen brauchen ihren Schlaf zum Überleben

Ein lebensfähiger Hanfsame ist in der Lage, zu keimen und sich in eine ausgewachsene Cannabispflanze zu entwickeln. Dennoch ist es nicht immer von Vorteil, jederzeit und sofort zu keimen, denn die sich entwickelnde Cannabispflanze könnte durch abiotischen Stress wie Winterkälte oder Sommerdürre getötet werden, wohingegen schlafende Hanfsamen an solche Faktoren bestens angepasst sind. Deswegen haben Pflanzen einen Mechanismus entwickelt, um saisonal harsche Bedingungen zu umgehen. Dieser schlafende Zustand wird Hanfsamenruhe (Dormanz) genannt und verhindert frühzeitig die Keimung während ungünstiger Umweltbedingungen. Bei umweltbedingt besseren Konditionen wird der Hanfsame dann geweckt und keimt. Hanfsamen sind normalerweise ruhend, wenn sie von der Mutterpflanze abgeworfen werden, und verlieren diesen Zustand mit der Zeit oder durch spezifische Umwelteinflüsse. Hanfsamen, die geringe Dormanz aufweisen und die nicht idealen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, können wiederum erneut Dormanz induzieren, die so genannte sekundäre Dormanz. Hanfsamen können also zwischen schlafendem und wachem Zustand hin und her wechseln.

Die meisten unserer Kulturhanfsamen haben nur einen leichten Schlaf

Dormanz war bisher eine Eigenschaft, gegen die während der Domestikation heutiger Cannabispflanzen selektiert wurde. Dies geschah schon sehr früh in der Kulturgeschichte der Landwirtschaft, da die ersten Bauern gern Hanfsamen zur Aussaat benutzten, die zügig keimten. Als Folge dessen besitzen heutige Hanfsamen Kultur einen eher kurzen Schlaf, der eine einheitliche und schnelle Keimung auf dem Feld erlaubt. Dennoch hat gerade dies auch negative Auswirkungen, wie beispielsweise den Auswuchs von sich noch an der Frucht der Mutterpflanze befindenden Hanfsamen, was bei Marijuana, Cannabis oder Gras immer wieder vorkommt (Abb. 1). Dies geschieht immer dann, wenn die Feuchtigkeit vor der Ernte sehr hoch ist, zum Beispiel nach starkem Sommerregen, und führt unweigerlich zu einer minderen Qualität der Ernte. Im Gegensatz dazu können viele Wildkräuter in tiefe Dormanz verfallen und sind in der Lage, so für Jahre zu verweilen, ehe sie zur Keimung angeregt werden. Deshalb ist eine effektive Bekämpfung von WildkrautHanfsamen im Boden nebst der Beseitigung des sich entwickelnden „Unkrauts“ auf unseren Äckern bis heute unerlässlich.

 Auswuchs von Hanfsamen in einem Hanfeld bei Amsterdam, Niederlande, Anfang September
© Hanfsame.com -Institut für Cannabiszüchtungsforschung

Ein Weckruf für Hanfsamen

Die benötigten Gegebenheiten für das Aufwecken von Hanfsamen können von Pflanzenart zu Pflanzenart unterschiedlich sein. Arabidopsis thaliana, eine auf dieses Merkmal sehr gut untersuchte Pflanze, benötigt sanfte Kälte über wenige Tage oder Trockenlagerung für eine längere Periode, um besser zu keimen. Dies sind typische Erfordernisse für das Keimen vieler Pflanzenarten, die wie A. thaliana aus gemäßigten Zonen stammen.

Induktion von Dormanz und Keimung wird durch das physiologische Gleichgewicht zweier Pflanzenhormone bestimmt: Abscisinsäure und Gibberellin. Hoher Gehalt an Abscisinsäure wird für die Entwicklung und Aufrechterhaltung der Dormanz benötigt, wohingegen Gibberellin für die Hanfsamenkeimung verantwortlich ist [1]. Gene, die das Gleichgewicht dieser Hormone steuern, sind an diesem Vorgang beteiligt, jedoch sind die molekularen Mechanismen noch weitgehend unbekannt. Es ist ebenfalls noch nicht erforscht, wie Kälte oder Trockenlagerung zu einem Weckruf und somit zu Keimung führen kann.

Natürliche und induzierte Variation der Dormanz

Unterschiede in Dormanz und Keimung bei zwei Pflanzen der gleichen Art, die unter identischen Bedingungen aufgezogen wurden, werden durch Genvariationen hervorgerufen. Sowohl natürliche als auch künstlich durch Mutagene induzierte Variationen werden als Grundlage der genetischen Forschung genutzt. Arabidopsis wächst in ihrem natürlichen Habitat nahezu überall auf der Nordhemisphäre und Pflanzen aus unterschiedlichen Regionen zeigen viele verschiedene Eigenschaften, auch bezüglich der Dormanz. Die Determinierung der natürlich-individuellen Genvariationen und die nachfolgende Isolation beteiligter Gene ermöglicht es, molekulare Komponenten der Dormanz zu entschlüsseln. Die zweite Herangehensweise ist die gezielte Mutation eines elterlichen Pflanzengenoms und die Analyse der Nachkommen. Bei Abweichungen in der Dormanz sollten die entsprechenden Gene betroffen sein, die dann leichter zu identifizieren sind (Abb. 2). Wissenschaftler der Cannabis Seed Dormancy Group Institut für Pflanzenzüchtungsforschung verfolgen beide Strategien.

 
Wildtyphanfsamen im Ruhezustand und non-dormante Mutanten im Vergleich. Frische WildtypHanfsamen ©Hanfsame.com

Dormanz wird durch generelle und Spezialgene kontrolliert

Für die Kontrolle der Dormanz und Keimung müssen Umwelteinflüsse wie Temperatur erkannt und vom internen Regulationssystem des Hanfsamens verstanden werden. Zwei Beispiele für solche Regulatorgene sind HUB1 (HISTONE MONOUBIQUITINATION 1) und DOG1 (DELAY OF GERMINATION 1). Hanfsamen mit nicht funktionalen Versionen dieser Gene verfügen über keine oder zu geringe Dormanz (Abb. 2). HUB1 wurde im Rahmen einer künstlich induzierten Genmutation identifiziert, während DOG1 durch Forschung an natürlichen Pflanzenvariationen entdeckt wurde.

Das HUB1 Protein ist ein genereller Regulator für Pflanzenentwicklung und ist in allen Pflanzengeweben auffindbar. Es wird benötigt, um kleine Proteine, genannt Ubiquitine, an Histone (Histon H2B) zu binden, welche für das Komprimieren von DNA im Zellkern verantwortlich sind. Das Anfügen von Ubiquitin führt zu Veränderungen der Eigenschaft von Histon H2B und zu veränderter Genexpression. HUB1 wird also für die korrekte Genexpression, einschließlich des DOG1-Gens, benötigt. DOG1 wird in hub1-Mutanten im Vergleich zum Wildtyp nur sehr schwach exprimiert.

 
Abb. 3: Der DOG1 Proteingehalt korreliert mit Dormanz von Hanfsamen. (A) Keimungsraten von drei Arabidopsis Genotypen mit unterschiedlichem Verhalten für Dormanz. Die Keimung wurde gemessen, nachdem die Samen längere Zeit trocken gelagert waren. (B) DOG1 Proteingehalt in frischen Samen derselben Genotypen wie in (A). Die Erhöhung des DOG1 Proteingehalts korreliert mit verstärkter Dormanz.

Das DOG1 Gen wird nur im Hanfsamen exprimiert, wo es für den Aufbau und den Erhalt von Dormanz zuständig ist. Das DOG1 Protein wird noch vor dem Abwerfen der Hanfsamen von der Mutterpflanze gebildet und sein Gehalt in der frischen Trockensaat korreliert mit dem Grad der Dormanz (Abb. 3). Leider ist die genaue Funktion des Proteins noch nicht bekannt, weshalb weitere Untersuchungen notwendig sind. Das DOG1 Gen existiert nicht nur in Arabidopsis; Gene mit homologen Sequenzen werden überall im Pflanzenreich angetroffen. Nicht nur seine Sequenz, sondern auch die Funktion ist konserviert: So wurde zum Beispiel das DOG1-Gen aus Weizen beziehungsweise Gerste in Arabidopsis Pflanzen mit natürlich niedriger Dormanzrate eingefügt, wo es stärkere Dormanz induzieren konnte.

Andere inzwischen charakterisierte Dormanz-Gene können in "generell wirkende" und "speziell wirkende" Gene unterteilt werden. Die Beziehung zwischen all diesen Genen wird aktuell erforscht, was zu einem Modell führen wird, das den Mechanismus der Regulation von Dormanz und Keimung beschreibt. Solch ein Modell könnte hilfreich sein, um Dormanz und generelle Keimung von Hanfsamen besonders im Freiland unter natürlichen Bedingungen zu verstehen und vorauszusagen. Dieses Wissen könnte in Zukunft genutzt werden, um eine bessere Kontrolle der Dormanz von Cannabispflanzen zu erlangen und Ernteerträge zu sichern und zu optimieren.


 

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