Innsbruck, Austria
February 7, 2013

Massive economic losses are suffered by farmers and the seed trade alike due to poor seed quality. European scientists have committed themselves to unravel how environmental stresses to the mother plant will impact upon seed quality, and if seed storage conditions can be improved to enhance seed quality. The €3 million project is coordinated by the University of Innsbruck.


In the project EcoSeed three crop species, barley, sunflower and cabbage will be studied together with the model plant Arabidopsis, to see how drought and elevated temperatures suffered by the mother plant, impact upon seed quality. Credit: Rainer Sturm / Pixelio.de

Every seed has a life of its own. Information received during its development on the mother plant determines its quality: how long a seed can be stored, if it will be dormant (see below), if it will germinate readily after storage and if it will grow into a healthy, vigorous new plant. Seed quality is further influenced by storage conditions, and is essentially important to agriculture and industry. It has been estimated that yield loss from major cereals due to rising temperatures between 1981 and 2002 was $5 billion per year. Importantly, seed wastage resulting from sub-optimal seed performance undermines food security and livelihoods. High-quality seed and a capability to store them adequately are also pivotal to safeguard the seeds of wild plant species required for the conservation of plant biodiversity. “Seed quality is determined by highly complex interactions between biochemical, biophysical and molecular processes within the seed, which are only very poorly understood” explains Ilse Kranner, Professor of Plant Physiology at the Austrian University of Innsbruck, who is the coordinator of the EU-project EcoSeed. In this project, three crop species, barley, sunflower and cabbage will be studied together with the model plant Arabidopsis, to see how drought and elevated temperatures suffered by the mother plant, impact upon seed quality. As a next step, the scientists want to find out how changes in temperature, humidity and oxygen concentrations during storage further affect seed viability, storability, and seedling vigour. The knowledge gained from the detailed study of the above four plant species will then be transferred to wild plant species to the benefit of conservation projects. Eleven renowned European teams participate in the EcoSeed project. Among them are the Seed Conservation Department of the Royal Botanic Gardens, Kew, maintaining the largest ex situ genebank for wild plant species globally, and the Federal ex situ Genebank of Germany, the IPK Gatersleben, which is the largest crop genebank in the EU. “EcoSeed combines aspects of food security and conservation, and we are lucky to have top-class scientists in the consortium” says Ilse Kranner.

Signalling hubs that determine seed fate

Seed dormancy is an example for the highly complex processes that occur within seeds. Dormancy is the inability of a seed to germinate in spite of favourable conditions before certain environmental cues have been received. For example, in temperate European climates many seeds shed from the mother plant in the autumn will not germinate, even though the environmental conditions such as temperature and soil moisture are ideal, explains the scientist. Before it will germinate the seed needs to undergo an extended period of low temperature during the winter – it then “knows” that spring has arrived. This important seed trait – as well as other traits that define seed quality – is controlled by “signalling hubs” throughout the seed life cycle, from seed development on the mother plant, through processing, storage to germination. These complex signalling hubs comprise plant hormones and signalling compounds such as “reactive oxygen species”, which are of specific importance to the research area of the Innsbruck team and others in the consortium. The teams will apply the most recent state-of-the-art “omics” (transcriptomics, proteomics and metabolomics) and “post-omics” techniques to unravel factors that determine seed quality on different levels: they will study how genes within the seed are affected by stress, and how this influences the production of proteins and smaller compounds required for a healthy metabolism.

Facts and Figures

Funded by the 7th EU Framework Programme for Research and Innovation, the project „Impacts of Environmental Conditions on Seed Quality“ (acronym „EcoSeed“) was awarded a rounded sum of €3 million. EcoSeed is a four year project running from the start of 2013 to the end of 2016. The project initiation meeting was held at the University of Innsbruck on the 4th of February. Apart from the University of Innsbruck (Austria) the following 10 institutions participate in the project:

• Royal Botanic Gardens, Kew (United Kingdom),
• Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, Gatersleben (Germany),
• Université Pierre e Marie Curie (France),
• Max Planck Institute for Plant Breeding Research (Germany),
• Warwick University (United Kingdom),
• Institute National de la Recherche Agronomique (France),
• University of Leeds (United Kingdom),
• Universidad de Salamanca (Spain),
• Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (France) and
• Limagrain Europe (France).

Within the 7th Framework a total of 10 projects are coordinated by Austrian research institutions.

Link: Institute of Botany

Neues EU-Projekt zur Verbesserung von Saatgutqualität

Jährlich werden immense Mengen an Saatgut durch die Folgen des Klimawandels und falsche Lagerung unbrauchbar. Wie sich die Samenqualität verändert, wenn die Mutterpflanze unter Umweltstress leidet und wie die Lagerung verbessert werden kann, wird in einem neuen, an der Uni Innsbruck koordinierten EU-Projekt erforscht. Knapp 3 Millionen Euro stehen zur Verfügung.

Jedes noch so kleine Samenkorn hat ein Eigenleben. Wie lange es lagerfähig ist, wie es keimt, wann es keimt und wie kräftig der Spross ist, hängt von jenen Informationen ab, die ihm die Mutterpflanze mitgibt. Aber auch die Bedingungen, unter denen Saatgut gelagert wird, haben großen Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie Langlebigkeit, Keimfähigkeit, Dormanz (siehe weiter unten), und Triebkraft. Diese sind für Saatgutindustrie und Landwirtschaft von essentieller wirtschaftlicher Bedeutung: Allein durch den Temperaturanstieg entstanden in den Jahren 1981 bis 2002 weltweit laut Expertenschätzungen jährlich Schäden in der Höhe von 5 Milliarden Dollar durch Ernteverluste bei den Hauptgetreidesorten. Letztendlich ist die Saatgutqualität auch ein wesentlicher Faktor für die Ernährungssicherheit und – im Fall von Wildpflanzen für die Erhaltung der Biodiversität.

„Die Qualität von Saatgut wird durch hochkomplexe biochemische, biophysikalische und molekulare Mechanismen in der Mutterpflanze und im Samen bestimmt, die wir noch kaum verstehen“, erklärt Univ.-Prof. Ilse Kranner vom Institut für Botanik der Universität Innsbruck, die das EU-Projekt EcoSeed leitet. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll an vier repräsentativen Kultur- und Wildpflanzen – Gerste, Sonnenblume, Kohl und Schotenkresse – geklärt werden, welche Auswirkungen es auf die Samen hat, wenn die Mutterpflanze Trockenheit und Temperaturanstieg ausgesetzt ist. In einem weiteren Schritt will man untersuchen, wie sich bestimmte Lagerbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und veränderter Sauerstoffgehalt der Luft auf die Saatgutqualität auswirken. Auch für die Erhaltung von Wildpflanzen wollen die Forscherinnen und Forscher neue Erkenntnisse gewinnen. 11 renommierte europäische Arbeitsgruppen sind am Projekt beteiligt, darunter die Millennium Seedbank der Royal Botanic Gardens Kew, weltweit die größte Genbank für Wildpflanzen und das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben, die größte Genbank für Kulturpflanzensamen in der EU. „EcoSeed vereint die Aspekte Ernährungssicherheit und Naturschutz und bringt hochkarätige Experten aus ganz Europa zusammen“, betont Kranner.

Schaltstellen als Schicksalsfaktoren

Wie komplex die Vorgänge in Samen sind, illustriert Ilse Kranner am Beispiel der Dormanz. Dormanz ist die Unfähigkeit eines Samens, trotz optimaler Umweltbedingungen zu keimen. „In unseren Klimazonen kann ein Same im Herbst von der Mutterpflanze abgeworfen werden, keimt aber nicht, auch wenn alle Rahmenbedingungen wie Temperatur und Bodenfeuchtigkeit stimmen. Er benötigt ein paar Wochen Kälte, bevor er keimen kann. Dann „weiß“ er, dass Frühling ist“, erklärt die Wissenschaftlerin. Diese wichtige Eigenschaft wird – wie auch die anderen untersuchten Saatguteigenschaften – über den gesamten Lebenszyklus von Pflanzen, beginnend mit der Samenentwicklung über die Lagerung und Keimung bis hin zur Etablierung der nächsten Pflanzengeneration von Signal- und Botenstoffen gesteuert. Eine besondere Rolle kommt dabei Schaltstellen, sogenannten „Signalling Hubs“ zu. Sie bestimmen das weitere Schicksal des Samens, z.B. ob er abstirbt, dormant wird oder keimt. Diese komplexen Schaltstellen stehen insbesondere im Mittelpunkt von Ilse Kranners Forschungsinteresse. Geforscht wird mit verschiedenen modernen Analysetechniken, u.a. mit „Omik“-Verfahren (Transkriptomik, Proteomik, Metabolomik): Mit ihrer Hilfe werden Gen-, Protein- und Stoffwechselprodukte über mehrere Generation der Modellpflanzen hinweg analysiert.

Vier repräsentative Pflanzen werden im EU-Projekt EcoSeed über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg untersucht.

Daten und Fakten

Das Projekt „Impacts of Environmental Conditions on Seed Quality“ (Kurzname „EcoSeed“) wird durch das 7. EU-Rahmenprogramm für Forschung und Entwicklung gefördert. EcoSeed startete Anfang 2013 und ist auf vier Jahre finanziert. Das Kick-off-Meeting fand am 4. Februar an der Universität Innsbruck statt. Das Fördervolumen beträgt knapp 3 Millionen Euro. Neben der Universität Innsbruck (Österreich) sind folgende 10 Institutionen und Industriepartner beteiligt:

• Royal Botanic Gardens, Kew (Großbritannien),
• Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (Deutschland),
• Université Pierre e Marie Curie (Frankreich),
• Max Planck Institut für Pflanzenzucht und Pflanzenforschung (Deutschland),
• Warwick University (Großbritannien),
• Institute National de la Recherche Agronomique (Frankreich),
• University of Leeds (Großbritannien),
• Universidad de Salamanca (Spanien),
• Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Frankreich) und
• Limagrain Europe (Frankreich).

Links:
Das Innenleben von Pflanzen (ipoint-Bericht)
Institut für Botanik

Website: http://www.uibk.ac.at

Published: February 7, 2013