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Wasserpotential für erfolgreiches Keimen

Wasserpotential für erfolgreiches Keimen

Wasserpotential: Der Schlüssel für erfolgreiches Vorkeimen.

Immer mehr Forscher gewinnen durch die Saatgut-Biologie neue Erkenntnisse zur Saatgutkeimung und Samenansiedlung. Die Möglichkeit, die Keimungsraten zu erhöhen und die Einsaat und damit die Erträge zu verbessern, treiben die Forschung an.

Es gibt bereits innovative Verfahren, die die natürliche Maßnahmen zur Verbesserung der Keimung verstärken, dazu gehören Benetzung, Trocknung, Kühlen, Thermoschock, Bestrahlung, Belüftung oder Hormonbehandlungen. In der Literatur finden Sie zahlreiche Veröffentlichungen, die das Thema umfassend behandeln (Bradford, 1995).

Wassergehalt: Keine Aussage zur Verfügbarkeit von Wasser zur Keimung.

Wasser ist der wichtigste physiologische Faktor für die Keimung von Saatgut. Aber wie viel Wasser unter welchen physischen Bedingungen ist ideal? Zwei Kenngrößen des Wasserstatus sind notwendig, um den Zustand des Wassers im Samen zu beschreiben: die Menge des Wassers und der Energiestatus des Wassers.

Der Wassergehalt ist das Maß für die Menge an Wasser. Obwohl diese Kenngröße in der Vergangenheit weit verbreitet war, ist sie nur bedingt hilfreich, um die Keimung von Samen zu verstehen und zu fördern. Das Wasserpotential (Ψ) ist ein Maß für den Energiestatus des Wassers im Saatgut. Es misst die Verfügbarkeit des Wassers, das für chemische und physikalische Prozesse benötigt wird – und dazu gehört auch die Keimung.

Was ist das Wasserpotential?

Um die Saatgut-Keimung zu verstehen, müssen die Grundprinzipien der Messung von physikalischen Wasserzuständen bekannt sein. Aus der Physik wissen wir, dass Wassermoleküle in verschiedenen Spannungszuständen oder in “negativem Überdruck” existieren. Sie stehen in einer Energiebeziehung zueinander, zu andere Molekülen (einschließlich Salze in Lösungen) und zu anderen Wassermolekülen im Bodensubstrat, im Zytoplasma und in den Pflanzenwurzelzellen.

Das Wasserpotential ist ein Maß für diese Beziehung, seine Einheit ist Mega-Pascal (MPa). Wassermoleküle fließen durch Substratporen (in Böden, Samen usw.) von hohen Wasserpotentialstellen zu niedrigen Wasserpotentialstellen – immer mit dem Ziel, ein Gleichgewicht innerhalb der Samenumgebungen zu erreichen. In der Regel ist das Wasserpotential ist eine negative Zahl, weil Wasser in Pflanzen- und Bodensystemen fast immer einer Saugkraft statt einem Druck ausgesetzt ist. Wasserpotentialwerte reichen daher von Null (reines Wasser) bis zu großen negativen Zahlen wie -100 MPa, z.B. bei luftgetrocknete Samen. Ein “hohes” Ψ findet sich als in reinem Wasser und “niedriges” Ψ in trockenen Standorten.

Das gesamte Wasserpotential ist die Summe mehrerer Teilpotentiale. Die für das Saatgut wichtigsten sind das osmotische Potential und das Matrixpotential. Das Matrixpotential, oder die Wasserspannung, resultiert aus einer Verringerung des Energiestatus von Wasser durch Adsorption an Zellwänden, Proteinen und Bodenkolloiden. Ein hohes Wasserpotential resultiert auch aus dem Erhalt von Wasser durch kleine Poren oder Kapillare. Das osmotisches Potential ist die Verringerung der Energie des Wassers, die durch eine Verdünnung mit gelösten Stoffen wie Salzen und Zuckern verursacht wird. Bei der Saatgut-Keimung wird das Wasserpotential von Saatgut durch die Kontrolle entweder des Matrixpotentials oder des osmotischen Potentials gesteuert.

Wasserpotential ist entscheidend für erfolgreiches Vorkeimen

Die Vorkeimung von Saatgut ist die Aktivierung des Keimvorganges vor der Aussaat und hat das Ziel, die Keimungszeit zu reduzieren und den Stand und den Prozentsatz zu erhöhen. Die Vorkeimung benötigt Substanzen für Matrix- und osmotische Prozesse. Einige sind im Handel erhältlich, während andere für private, konkurrenzfähige Geschäftszwecke entwickelt wurden.

  • Osmotisches Vorkeimen wird mit Chemikalien durchgeführt, die das osmotische Potential in der Samenumgebung senken. Polyethylen Glykol ist eine üblicherweise verwendete osmotische Vorkeimsubstanz, die leicht verfügbar ist und zu keiner physiologischen Reaktion mit Samen führt. Die sehr großen Moleküle dieser Substanz dringen nicht durch die Samenzellmembranen. Andere osmotische Keimungsmittel beinhalten Glycerin; Mannit und Agro-Lig.
  •  Matrix-Vorkeimung kontrollieren das Ψ durch das Reduzieren der Wasserspannung durch Adsorption an den Partikeloberflächen. Das Saatgut wird gemixt mit Materialien mit großer Oberfläche, geringer Teilchengröße und nicht-löslichen festen Stoffen mit geringer chemischer Reaktivität. Dafür werden spezielle Vermiculitverbindungen (Zonolith), Celite und Micro Cel verwendet. Diese haben ein hohes Matrixpotential und ein geringes osmotisches Potential.

Warum ist das Ψ bei der Vorkeimung so wichtig?

Samen keimen, wenn das Wasserpotential Ψ ein kritisches physiologisches Level im Samen erreicht. Dieses Level variiert innerhalb und zwischen Pflanzenarten, tritt grundsätzlich aber zwischen 0 und -2 MPa auf. Ausnahmen gibt es, wenn Samen eine undurchdringliche Hülle haben oder in der Keimruhe sind. Dabei entstehen Chemikalien, die vor der Keimung beseitigt werden müssen. Samen mit durchlässigen Samenschichten durchlaufen bei der Keimung drei erkennbare Phasen:

1. Imbibition (Aufsaugen): das Wasserpotential der Samenumgebung ist höher als das im Samen, wodurch Wassermoleküle durch die Samenepidermis in den Keimling strömen.
2. Die Aktivierungsphase: hier stimulieren im Samen gespeicherte Hormone und Enzyme die physiologische Entwicklung.
3. Wachstum der Wurzeln: Ende der Keimungsphase.

Dormante (trockene) Samen weisen in der Regel sehr niedrigen Wasserpotentiale im Bereich von -350 bis -50 MPa auf. Ein gewisser Stoffwechsel tritt auch hier auf. Die Wasserbewegung in trockenen Samen während der Imbibitionsphase ist zunächst schnell, verlangsamt sich aber, wenn sich das Ψ des Samens dem Ψ der Umgebung annähert. Wenn die Imbibition zu schnell voranschreitet (aus einer Umgebung, in der Ψ = 0 liegt) tritt häufig eine Beschädigung der hydratisierenden Zellen auf.

Erst in der Aktivierungsphase findet die Saatgut-Keimung erfolgreich statt. Ein theoretisches Beispiel für die Keimung bei einer Reihe von hohen Ψ-Niveaus ist in Abb. 1 angegeben, die die Wirkung von Nah-Keimungs-Wasserpotentialniveaus zeigt. Die Keimung bei hohem Ψ, wie in der 0 MPa-Kurve gezeigt, erfolgt schnell. Wenn man das Keimungs-Medium und die Samen in die niedrigeren Ψ-Niveaus in ein Gleichgewicht bringt, also unter die gepunktete Linie, wird die Zeit in Phase 2 verlängert, so dass die Vorkeimung fortgesetzt werden kann. Bei niedrigem Ψ (-1,5 MPa) reicht der Wassergehalt nicht aus, um ein radikales Auftreten zu bewirken.

Abbildung 1. Zeit-Kurve des Ψ von Saatgut während der drei Keimungsphasen. Die Imbibition bei reduziertem Ψ senkt den Wassergehalt, verlängert die Länge der Phase II und verzögert den Eintritt in die Phase III. Radikale Emergenz und Wachstum treten auf, wenn der Wassergehalt ein kritisches Niveau überschreitet, das durch die horizontale gepunktete Linie angegeben ist.

Vereinfachte Saatgut-Keimung mit dem WP4C Potentiameter

Der Vorkeimungs-Prozess über das Matrixpotential erfordert eine geeignete Ausrüstung, um ein sorgfältiges Mischen von Saatgut, Keimungsmedium und Wasser zu ermöglichen – und natürlich einen Sensor, der die Bodenwasserspannung, also das Matrixpotential, in Samen und Mittelmischungen genau bestimmt. Sein Name: das WP4C Potentiameter der METER Group.

Am Anfang wird der Samen getrocknet und es wird dem Saatgut Wasser wird hinzugefügt, um Ψ auf den Wert zu bringen, der die Imbibitionsphase startet. Der Mischvorgang kann mit mechanischer Ausrüstung oder einfacher per Hand in einem Eimer oder einer Schale durchgeführt werden. Kleine Zementmischer wurden für die Verarbeitung von großen Mengen an Saatgut angepasst, eine große Trommel mit engen Deckel und internem Mischflügel kann ebenfalls verwendet werden, um das Saatgut zusammen mit dem Medium sorgfältig zu vermischen. Nach der Zugabe von Wasser muss eine Wartezeit beachtet werden in der sich das Ψ ins Gleichgewicht bringt. Die Proben werden dann mit dem WP4C Potentiameter analysiert, um die gewünschten Aktivierungsphasen zu bestimmen.

Das Wasserpotential, das das Saatgut in der Aktivierungsphase hält, ist abhängig von der Saatgutsorte und muss durch Experimente bestimmt werden. Um dieses Wasserpotential zu erreichen, kann der ungefähre Wassergehalt des Keimungs-Mediums durch eine Feuchtigkeits-Freisetzungskurve bestimmt werden. Lesen Sie hierzu auch die Abhandlung „Generating a Soil Moisture Characteristic using the WP4C“.

Messung des Wasserpotentials in Saatgut-Keimungs-Programmen

Das WP4C Potentiameter der METER Group liefert genaue, schnelle und bequeme Wasserpotenzial-Messergebnisse. Und das innerhalb von 5 Minuten oder weniger – je nach Probe und in Abhängigkeit des Wasserpotential-Niveaus. Wegen seiner hohen Geschwindigkeit kann das WP4C sogar als Online-Monitor des Wasserpotentials eingesetzt werden. Der Betrieb erfolgt automatisch und erfordert nur das Befüllen der Probeschalen, das Einlegen der Schale in die Probenschublade und das Drehen des Knopfes, um die Analyse zu starten. Die Ergebnisse erscheinen direkt im Display und können auf Ihren Computer heruntergeladen werden. Messungen im kritischen Ψ Bereich von 0 bis -2,5 MPa sind auf ± 0,1 MPa genau.

Referenzen:

Bradford, Kent J. 1995. Water Relations in Seed Germination. Chapter 13, pp. 351 – 396. In “Seed Development and Germination”. Ed. By Jaime Kigel and Gad Galili. Marcel Dekker, Inc, NY

Wilson, A. M. and Grant A. Harris. 1966. Hexose, Inositol, and Nucleoside Phosphate Esters in Germinating Seed of Crested Wheatgrass. Plant Phys. 41: 1416 -1419.

METER Application Note: Generating a Soil Moisture Characteristic using the WP4C.

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