Ultraschall-Priming und Sprossenbildung
- Ultraschall-Priming ist ein nützliches Verfahren zur Saatgutvorbehandlung vor der Aussaat, um Samen mit Wasser und Nährstoffen zu versorgen und die Keimung anzuregen.
- Die Ultraschallbehandlung ist ein effizientes Verfahren zur Aufhebung der Keimruhe und zur Verbesserung der Keimeigenschaften.
- Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich präzise steuern, um zuverlässige Ergebnisse bei der Samenkeimung und beim Priming zu erzielen.
Ultraschall-Priming von Saatgut, Keimung und Sprossenbildung
Ultraschall-Priming bezeichnet ein Verfahren, bei dem Samen mit Ultraschallwellen von etwa 20 kHz in Wasser oder anderen geeigneten Nährlösungen behandelt werden, um ihre Keimung und ihr frühes Wachstum zu fördern. Eine schnelle Keimung und ein rascher Keimlingsaufgang sind entscheidende Faktoren für die erfolgreiche Etablierung von Pflanzen und Kulturpflanzenbeständen. Die Aufhebung der Keimruhe und die Anregung der Keimung sind wichtig für die Vermehrung und die frühzeitige Anzucht von Keimlingen. Die Ultraschallbehandlung von Samen in Wasser, einer Nährlösung oder einem Osmotikum verbessert die Keimrate und die Keimgeschwindigkeit und führt zu einem höheren Keimungsanteil als bei unbehandelten Samen.
Beschallte Linsen (40 Ws/g mit UP200St) im Vergleich zu unbeschallten Linsen: Die beschallten Linsen weisen eine höhere Keimrate und längere Sprosse auf.
Vorteile des Ultraschall-Primings von Saatgut
Intensiver Ultraschall mit etwa 20 kHz hat einen deutlichen Einfluss auf die Samenschale sowie auf den Stofftransport und intrazelluläre Prozesse. Im Folgenden finden Sie Einzelheiten zu den wichtigsten Auswirkungen der Beschallung auf Samen und den damit verbundenen Vorteilen.
- Höhere Keimrate: Ultraschall-Priming kann die Keimrate von Samen verbessern, indem es die Keimruhe aufhebt, die Wasseraufnahme erhöht und Enzyme aktiviert, die das Wachstum der Samen fördern. Denn die Beschallung kann Enzyme im Samen aktivieren, die für den Abbau gespeicherter Nährstoffe und die Einleitung der Keimung verantwortlich sind.
- Erhöhte Wasseraufnahme: Die Beschallung kann die Samenschale und die Zellwände perforieren, wodurch die Wasserdurchlässigkeit des Samens erhöht und seine Wasser- und Nährstoffaufnahme verbessert werden kann. Dies verschafft durch Priming vorbehandelten Samen insbesondere in trockenen oder nährstoffarmen Böden einen Vorteil.
- Beschleunigter Keimlingsaufgang: Die Ultraschallbehandlung zum Priming von Saatgut kann die Zeit bis zum Aufgang der Keimlinge aus dem Boden verkürzen. Dies kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn eine schnelle Etablierung des Pflanzenbestands gewünscht ist. Indem Ultraschall die Samenschale aufbricht und ihre Wasserdurchlässigkeit verbessert und dadurch die Quellung und Keimung der Samen fördert, kann er die Keimruhe unterbrechen.
- Verbessertes Keimlingswachstum: Ultraschall-Priming kann das Wachstum der Keimlinge anregen, indem es die Entwicklung von Wurzeln, Stängeln und Blättern fördert. Dies kann zu kräftigeren, gesünderen Pflanzen mit besseren Erträgen führen.
- Verbesserte Stresstoleranz der Keimlinge: Ultraschall-Priming erhöht die Fähigkeit der Keimlinge, Umweltstressfaktoren wie Trockenheit, Salzbelastung und hohen Temperaturen standzuhalten.
- Geringere Keimlingssterblichkeit: Ultraschall-Priming kann die Sterblichkeitsrate von Keimlingen senken, indem es eine gleichmäßige Keimung und das frühe Wachstum fördert. Dies kann dazu beitragen, den Verlust von Keimlingen durch ungleichmäßigen Aufgang oder schwaches Wachstum zu verhindern.
Aufgrund dieser positiven Effekte verbessern ultraschallinduziertes Priming und Keimen von Saatgut die Qualität und Menge der Ernte, führen zu einer erfolgreicheren Keimung, senken die Produktionskosten und erhöhen die Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft.
Ultraschallgeräte wie der industrielle UIP6000hdT werden für das Inline-Ultraschall-Priming von Saatgut eingesetzt, einschließlich Hydropriming, Osmopriming und Halopriming.
- gleichmäßige und schnelle Keimung
- höherer Saatgutvitalitätsindex
- längere Wurzeln und Sprosse
- erhöhte α-Amylase-Aktivität
- höhere Widerstandsfähigkeit
- erhöhte Hydratation
- Nährstoffanreicherung
- verkürzte Zeit zwischen Aussaat und Keimlingsaufgang
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) von Arabidopsis-Samen.
a–c Samen, die bei 24 °C für 30 sec beschallt wurden.
d, e trockene Samen, f, g Samen, die für 4 Tage bei 4 °C in Wasser gelegt wurden,
h, i gekeimte Samen.
Bilder und Studie: ©Lopez-Ribera et al. 2017
Ultraschall-Priming
Das Priming von Samen in Osmotika wie Mannitol und Polyethylenglykol (Osmopriming), in Salzlösungen (z. B. CaCl2, NaCl oder CaSO4) (Halopriming) und in Wasser (Hydropriming) lässt sich durch den Einsatz von Ultraschallwellen auf einfache Weise verbessern. Die ultraschallinduzierte Fragmentierung und Perforation der Samenschale sowie die Vergrößerung der Poren der Samen erhöhen das Wasser- und Nährstoffrückhaltevermögen von Samen und Körnern und verbessern dadurch die Hydratation. Die Beschallung verbessert den Stofftransport zwischen dem Samen und der umgebenden Lösung, wodurch mehr Lösung (d. h. Wasser, Nährstoffe usw.) in den Samen aufgenommen wird. Ultraschallunterstütztes Priming ist ein wirtschaftliches, einfaches und sicheres Verfahren, um die Fähigkeit der Samen zur osmotischen Anpassung zu erhöhen und die Samenkeimung, die Etablierung der Keimlinge und die Pflanzenproduktion unter Stressbedingungen zu verbessern.
Darüber hinaus bewirkt die Ultraschallbehandlung Veränderungen des Endosperms, beispielsweise durch den ultraschallbedingten Abbau von Stärke, wodurch die Geschwindigkeit enzymkatalysierter Hydrolysereaktionen in den Samen erhöht wird. Eine erhöhte Enzymaktivität und verstärkte Hydrolyse infolge der Ultraschallbehandlung beschleunigen die Keimung und das Embryowachstum.
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Ultraschallgeräte für das Priming und die Keimung von Saatgut
Hielscher Ultrasonics liefert Ultraschallgeräte für ein verbessertes Priming von Saatgut, einschließlich Hydropriming, Osmopriming und Halopriming. Kompakte Ultraschallgeräte für Forschung, Entwicklung und Laborarbeit ermöglichen es, die optimalen Ultraschallprozessparameter zu testen und festzulegen. Ultraschallgeräte für den industriellen Einsatz werden hingegen zur Behandlung von kommerziell gehandeltem Saatgut im großen Maßstab eingesetzt und ermöglichen ein komfortables und hocheffizientes Ultraschall-Priming im Durchfluss.
Um die Samenkeimung durch Beschallung zu verbessern, sind präzise steuerbare und einstellbare Ultraschallsysteme erforderlich. Da Ultraschallwellen die physiologischen Aktivitäten pflanzlicher Zellen anregen, muss die Beschallungsintensität an die jeweilige Saatgutart und Sorte angepasst werden. Ultraschallsysteme von Hielscher lassen sich auf niedrige Amplituden einstellen, um die für das Priming erforderliche Kavitation und/oder Schwingung zu erzeugen und so eine optimale Keimung und Vitalität zu ermöglichen. Die Saatgutbehandlung kann sowohl im Chargenbetrieb als auch im kontinuierlichen Durchfluss erfolgen. Das breite Zubehörspektrum ermöglicht die einfache Integration der Ultraschalltechnik in bestehende Anlagen.
Ultraschallsysteme von Hielscher erhöhen das Potenzial für eine hohe Leistungsfähigkeit der Keimlinge nach der Aussaat.
Ultraschallgerät UP400St für das Priming von Saatgut in kleineren Chargen während der Forschungs- und Entwicklungsphase. Die Ultraschallbehandlung führt zu einer schnelleren Sprossenbildung, einem verbesserten Nährstoffprofil und einer höheren Keimlingsvitalität.
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500 mL | 10 bis 200 mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000 mL | 20 bis 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20 L | 0,2 bis 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 L | 2 bis 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150 L | 3 bis 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Literatur/Quellen
- Yaldagard M.; Reza Mortazavi S.A.; Tabatabaie F. (2008): Application of Ultrasonic Waves as a Priming Technique for Accelerating and Enhancing the Germination of Barley Seed: Optimization of Method by the Taguchi Approach. Journal of The Institute for Brewing Vol. 114, Issue1, 2008. 14–21.
- Godlewska, K.; Biesiada, A.; Michalak, I.; Pacyga, P. (2020): The Effect of Botanical Extracts Obtained through Ultrasound-Assisted Extraction on White Head Cabbage (Brassica Oleracea L. Var. Capitata L.) Seedlings Grown under Controlled Conditions. Sustainability 2020, 12, 1871.
- Ranjbari, A. & Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): Einfluss der Ultraschallvorbehandlung auf die Wasseraufnahmeeigenschaften von Kichererbsen (Cicer arietinum). Latin American applied research 43, 2013. 153–159.
- Nazari M.; Eteghadipour M. (2017): Impacts of Ultrasonic Waves on Seeds: A Mini-Review. Agri Res & Tech Volume 6 Issue 3 – April 2017.
Wissenswertes
Keimung
Die Samenkeimung beschreibt die Entwicklung und das Wachstum einer Pflanze aus einem Samen. Der Keimungsprozess führt zur Bildung eines Keimlings und umfasst sowohl Stoffwechselprozesse als auch das Hervortreten von Keimwurzel und Keimknospe. Ein vollständig entwickelter Same enthält einen Embryo und Nährstoffe, die von einer Samenschale umschlossen sind. Unter geeigneten Bedingungen beginnt der Same zu keimen, und die embryonalen Gewebe wachsen weiter und entwickeln sich zu einem Keimling. Die wichtigsten Faktoren für die Samenkeimung sind Wasser, Sauerstoff, Temperatur und Licht.
Behandlung vor der Aussaat
Saatgutvitalisierung ist der Fachbegriff für förderliche Behandlungen, die nach der Ernte, aber vor der Aussaat am Saatgut durchgeführt werden, um die Keimung und das Keimlingswachstum zu verbessern. Verschiedene Verfahren werden zur Saatgutvorbehandlung vor der Aussaat eingesetzt, um die Keimung zu verbessern und ein gleichmäßigeres Keimlingswachstum zu erzielen. Zu diesen Anwendungen gehören mechanische Behandlungen (z. B. Ultraschallbehandlung, Stampfen, Reiben, Skarifikation), die Behandlung mit heißem oder kochendem Wasser, die Behandlung mit trockener Hitze, chemische Behandlungen (z. B. Gibberellinsäure/Gibberellin, Schwefelsäure) oder elektrische Behandlungen. Diese Saatgutbehandlungen werden mit dem Ziel durchgeführt, die Saatgutvitalität zu verbessern. Die Saatgutvitalität dient der Qualitätsbewertung des potenziellen Keimvermögens, des Feldaufgangs und der Lagerfähigkeit von Saatgut unter Bedingungen, die von denen der Standardkeimprüfung abweichen. Die Saatgutvitalität wird durch Vitalitätstests bestimmt.
Modifikation des Endosperms
Das Endosperm ist ein Gewebe, das sich nach der Befruchtung im Inneren der Samen der meisten Blütenpflanzen bildet. Es umgibt den Embryo und liefert Nährstoffe in Form von Stärke, kann aber auch Öle und Proteine enthalten. Das Endosperm kann enzymatisch modifiziert werden, was einen wichtigen Schritt beim Mälzen von Gerste darstellt. Beim Mälzen werden hauptsächlich die Enzyme Beta-Glucanasen und Endoproteasen eingesetzt, um das stärkehaltige Endosperm der Gerste zu modifizieren.
Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren zum Mischen, Dispergieren, Emulgieren und Extrahieren im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Laborgerät bis zur Industrieanlage her.