Delayed seed germination and inhibited shoot emergence in glutinous corn (Zea mays L.) due to induced drought stress

Auf den Feldern der Philippinen ist Mais mehr als nur eine Nutzpflanze; er ist eine Lebensader für die Landwirte, die auf ihn für Nahrung, Viehfutter und Einkommen angewiesen sind. Oft nach der Reisernte gepflanzt, steht der Mais vor einer kritischen Herausforderung: der Trockenzeit. Wenn dem Boden die ausreichende Feuchtigkeit fehlt, kämpfen die Samen darum, aus ihrem Ruhezustand zu erwachen. Dieser Wassermangel verlangsamt die internen chemischen Prozesse, die den Samen das Keimen ermöglichen, was oft das Austreiben der winzigen Wurzel und des Triebes, die durch die Erde dringen müssen, verzögert. Wenn der Samen sich nicht schnell genug etablieren kann, leidet die gesamte Ernte, was zu schlechten Erträgen für die Landwirte führt. Um dies zu bekämpfen, suchen Wissenschaftler schon lange nach Wegen, um den Samen einen Vorsprung zu verschaffen. Eine solche Methode ist das Seed Priming (Saatgutvorbehandlung), eine Technik, bei der die Samen für eine festgelegte Zeit in Wasser oder einer speziellen Lösung eingeweicht werden, bevor sie gepflanzt werden. Dieser Prozess weckt die interne Maschinerie des Samens auf, ohne ihn vollständig keimen zu lassen, sodass er, wenn er schließlich gepflanzt wird, schneller und stärker wachsen kann, selbst wenn der Boden trocken ist.

Forscher der Mariano Marcos State University haben diese Idee kürzlich am Glutinous Corn (Klebermais) getestet, einer spezifischen Sorte, die in der Region beliebt ist. Sie wollten sehen, ob das Einweichen der Samen in Wasser oder einer milden Salzlösung helfen könnte, eine simulierte Dürre zu überstehen. Das Team nahm gesunde, einheitliche Samen und teilte sie in Gruppen auf. Einige wurden trocken gelassen, um als Kontrollgruppe zu dienen, während andere in reinem Wasser eingeweicht wurden, eine Methode, die als Hydropriming bekannt ist. Eine weitere Gruppe wurde in einer Lösung aus Kaliumnitrat eingeweicht, einer chemischen Verbindung, die oft verwendet wird, um Pflanzen beim Wachsen zu helfen. Jede Gruppe wurde für unterschiedliche Zeitspannen eingeweicht: acht Stunden, zwölf Stunden und vierundzwanzig Stunden. Nach dem Einweichen wurden die Samen wieder in ihren ursprünglichen Zustand getrocknet und in Boxen gepflanzt. Um eine Dürre zu simulieren, wurden einige Boxen mit einer Substanz behandelt, die es den Samen erschwert, das Wasser im Boden aufzunehmen, wodurch eine Umgebung mit wenig Wasser entstand, während andere Boxen normales Wasser erhielten, um als Vergleich zu dienen.

Die Ergebnisse zeigten ein klares Bild davon, wie diese Samen auf Stress reagieren und wie Priming helfen kann. Wenn die Samen mit trockenen Bedingungen konfrontiert waren, keimten sie langsamer als in den nassen Boxen, unabhängig davon, ob sie zuvor eingeweicht worden waren. Der Dürrestress verlangsamte alles und verzögerte den Moment, in dem die Keimlinge die Oberfläche durchbrachen. Die Einweichbehandlungen machten jedoch einen Unterschied in der Qualität der Samen, die tatsächlich wuchsen. Die behandelten Samen waren besser in der Lage, die Trockenperiode zu überstehen als die unbehandelten, was zeigt, dass die Vorbehandlung ihnen half, mit dem Wassermangel fertig zu werden. Interessanterweise half das Einweichen zwar den Samen beim Start, beschleunigte aber den Keimprozess selbst unter Dürrebedingungen nicht; die Samen brauchten immer noch länger zum Keimen als unter idealen Bedingungen.

Die bedeutendsten Erkenntnisse zeigten sich in der Art und Weise, wie die jungen Pflanzen nach dem Austreiben wuchsen. Die trockenen Bedingungen hemmten das Wachstum der Triebe, der grünen Teile, die nach dem Himmel greifen. Unter den nassen Bedingungen produzierten die Samen, die acht Stunden in Kaliumnitratlösung eingeweicht worden waren, die längsten Triebe. Doch wenn das Wasser knapp war, blieben die Triebe kurz, egal welche Behandlung angewandt wurde. Die Geschichte war bei den Wurzeln anders. In der feuchten Umgebung produzierten die in reinem Wasser zwölf Stunden lang eingeweichten Samen die längsten Wurzeln. Unter dem Stress der Dürre waren die Wurzeln der meisten Samen jedoch kürzer und weniger zahlreich. Es gab einen herausragenden Ausnahmefall: Samen, die nur acht Stunden in der Kaliumnitratlösung eingeweicht worden waren, schafften es, längere Wurzeln als jede andere Gruppe zu bilden, selbst im trockenen Boden. Dies deutet darauf hin, dass diese spezifische Behandlung der Pflanze half, tiefer nach dem begrenzten Wasser zu greifen.

Die Forscher zählten auch, wie viele kleine Seitenwurzeln die Keimlinge produzierten. Unter normalen Bedingungen entwickelten die eingeweichten Samen viel mehr Seitenwurzeln als die trockenen, wodurch ein dichtes Netzwerk zur Aufnahme von Nährstoffen entstand. Aber in den trockenen Boxen sank die Anzahl dieser Wurzeln drastisch, und die Einweichbehandlungen konnten diesen Verlust nicht vollständig verhindern. Trotzdem war die allgemeine Gesundheit der Keimlinge in den behandelten Gruppen besser. Das Team maß einen „Vigor Index“ (Vitalitätsindex), eine Methode, um zu kombinieren, wie gut die Samen keimten und wie groß sowie schwer die resultierenden Pflanzen waren. Die Samen, die zwölf Stunden in reinem Wasser eingeweicht worden waren, produzierten unter normalen Bedingungen die vitalsten Keimlinge, was sich in starkem Wachstum sowohl in der Länge als auch im Gewicht zeigte. Unter den trockenen Bedingungen half das achtstündige Einweichen in Kaliumnitrat, die längsten Wurzeln zu produzieren, während ein zwölfstündiges Einweichen in Wasser oder der Salzlösung zu den insgesamt kräftigsten Keimlingen führte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass, obwohl Dürrestress die Keimung von Mais unvermeidlich verlangsamt und das Wachstum einschränkt, das Seed Priming eine praktische Möglichkeit bietet, das Ergebnis zu verbessern. Landwirte müssen sich nicht zwischen komplexen Chemikalien und einfachem Wasser entscheiden; beide Methoden zeigten vielversprechende Ergebnisse. Das Einweichen in Kaliumnitrat war besonders effektiv dabei, den Wurzeln zu helfen, bei Wassermangel länger zu wachsen, während das Einweichen in reinem Wasser hervorragend geeignet war, um generell kräftige, vitale Keimlinge zu erzeugen. Da Wasser kostenlos und leicht verfügbar ist, schlagen die Forscher vor, dass Hydropriming die praktischste Option für die Landwirte ist. Durch das einfache Einweichen der Samen für die richtige Zeitspanne können Erzeuger den Mais eine bessere Chance geben, sich zu etablieren und die Trockenperioden zu überstehen, die ihre Ernten bedrohen.