Was passiert genau im Inneren des keimenden Samens? Wie überwindet der aus der Dormanz erwachende Embryo den Widerstand der Samenhüllen und treibt eine Wurzel aus? „Dieses Schauspiel kann man nur verstehen, wenn man die molekularen und mechanischen Vorgänge als Gesamtsystem erfasst“, sagt Privatdozent Dr. Gerhard Leubner, Leiter der Arbeitsgruppe für Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie II der Universität Freiburg. „Hierfür müssen Biologen und Mathematiker zusammenarbeiten, um mittels systembiologischer Modellierung eine integrative Gesamtschau der verschiedenen Ebenen herzustellen. Und genau das ist das Ziel des interdisziplinären Projekts virtual Seed.“

Ausgangspunkt für die interdisziplinäre Forschung ist zunächst die Biomechanik. Leubners Team hat in Kooperation mit der Pflanzenbiomechanik-Gruppe von Prof. Dr. Thomas Speck aus Freiburg eine Apparatur entwickelt, mit der sich die mechanischen Veränderungen in den Hüllgeweben messen lassen, während der Samen keimt. Indem sie präparierte Hüllhäute in eine Halterung spannen und einen Metallstab mit einer kontrollierten Menge an Kraft dagegen drücken, messen die Forscher, wann die Wurzelspitze die Hülle durchstoßen kann. Leubners Gruppe untersucht aber auch die molekularen Voraussetzungen. Zum Teil wird der Keimvorgang möglich, weil die Hüllgewebe aufweichen. Dafür sorgen zum Beispiel Enzyme, die die Zellwände der Hüllen abbauen. Wichtig sind aber auch Wechselwirkungen zwischen Pflanzenhormonen. Neben den im Rahmen von vSEED geförderten Projekten arbeitet in Leubners Gruppe auch die Postdoc-Stipendiatin der Alexander-von-Humbold-Stiftung Dr. Krystyna Oracz, die sich mit der Rolle der Hormone und mit den Zellwandveränderungen während der Keimung beschäftigt.

Aus anderen Versuchen wissen Leubner und sein Team außerdem, dass Umwelteinflüsse wie etwa die Temperatur eine entscheidende Rolle bei der Keimung spielen. Molekulare Signalnetzwerke müssen die Umweltinformationen integrieren. Um diese Netzwerke zu finden und zu verstehen, wollen die Wissenschaftler Transkriptom-Analysen sowie moderne bildgebende Verfahren nutzen. Mit ihrer Hilfe können sie die Gesamtheit aller Gene erfassen, die in den verschiedenen Geweben keimender Pflanzensamen aktiviert werden und den Keimprozess vermitteln. Neben den Freiburger Forschungsgruppen steuern Teams von der Universität Nottingham, der Universität Leeds (Großbritannien) und der Universität Wageningen (Niederlande) molekulargenetisches, biochemisches und materialwissenschaftliches Know-how bei.

„Das Projekt wird eine Menge an Informationen aus verschiedenen Typen von Experimenten liefern“, sagt Leubner. „Alle diese Informationen müssen am Ende miteinander verrechnet und in multidimensionalen Modellen nachvollzogen werden. Nur so kann am Ende ein Gesamtbild entstehen.“ Um die anfallende Datenflut zu bändigen, bedarf es komplexer mathematischer Methoden und einer geeigneten Software. Für die statistischen Analysen und das Modellieren sind zwei weitere Nottinghamer Teams zuständig. Über ein vergleichbares Know-how verfügt außerdem auch das kürzlich eröffnete Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) der Universität Freiburg, mit dem Leubners Team zusammenarbeiten wird. Das Projekt vSEED ist der erste Versuch, die Biologie keimender Pflanzensamen als Gesamtprozess zu erfassen.