Langzeitlagerung von Saatgutproben in ?ultra dry seed storage? zur Lagerung pflanzengenetischer Ressourcen in Genbanken | Long-term storage of seed in ultra-dry conditions for the conservation of plant genetic resources in gene banks

Die Konservierung pflanzengenetischer Ressourcen durch Saatgutlagerung in Genbanken beschränkt sich weitestgehend auf Arten, deren Samen zum orthodoxen Lagerungstyp zählen. Die Lagerfähigkeit der Samen dieses Typs, dem die meisten landwirtschaftlichen und gärtnerischen Kulturarten angehören, wird durch zwei entscheidende Faktoren beeinflusst, durch den Samenfeuchtigkeitsgehalt und die Lagerungstemperatur. Die ?ultra-dry? Saatgutlagerung verfolgt die Strategie, das Saatgut so weit zu trocknen, dass eine nachfolgende Langzeitlagerung auch bei Raumtemperatur erfolgreich möglich ist. Die sonst in Genbanken übliche Tiefgefrierung des Saatgutes wäre damit nicht erforderlich, was für Genbanken in Entwicklungsländern mit unsicherer Energieversorgung sehr attraktiv ist. Für die Realisierung dieser Strategie sind jedoch die folgenden Fragen bislang nicht ausreichend beantwortet: ? Wird Saatgut durch die Trocknung auf Samenfeuchtigkeitsgehalte nahe 0 % geschädigt? ? Gibt es für die ?ultra-dry? Saatgutlagerung einen optimalen Samenfeuchtigkeitsgehalt oder eine optimale relative Luftfeuchtigkeit, bzw. eine jeweilige Ober- und Untergrenze oberhalb von 0 %? ? Wenn es eine solche Ober- und Untergrenze gibt, können diese dann als für alle Arten identisch angenommen werden? ? Wie gut ist die Lagerfähigkeit des Saatguts unter ?ultra-dry? Bedingungen und gilt die Lebensfähigkeitsgleichung von Ellis und Roberts (1980) auch im Bereich der ?ultra-dry? Lagerung? In umfangreichen und langen Experimenten wurde durch die Trocknung über Silikagel in Exsikkatoren (r.H. nahe 0 %) oder im Feintrocknungsraum (r.H. ca. 10 %) der Genbank des IPK Saatgut der zwei Zwiebelsorten Giugenese und Sturo (Allium cepa L.), der vier Rapslinien HR2203, HR2632, HR2660 und HR2693 (Brassica napus L.) und der drei Weizensorten Naturastor, Tommi und Triso (Triticum aestivum L.) auf Samenfeuchtigkeitsgehalte zwischen 7 % und 0 % in jeweils bis zu 39 Stufen eingestellt. Anschließend wurden die Saatgutproben in luftdichten Aluminiumfolientüten verschlossen und nach 14 Tagen wurde die r.H. mit einem Einstichfühler bestimmt. Mit diesen Daten wurden Sorptionsisothermen erstellt. Bei einer Temperatur von 50 °C wurden die Weizensaatgutproben ca. ein Jahr lang und die Rapssaatgutproben ca. acht Monate lang gelagert. Das Zwiebelsaatgut wurde erst bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) ein Jahr lang gelagert, danach bei 50 °C bis zu drei Monate lang. Während der Lagerung wurden in regelmäßigen Abständen an entnommenen Teilproben Keimprüfungen und Triebkrafttests durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten zunächst, dass für die Modellierung der Sorptionsisotherme bei allen drei Kulturarten das Henderson Modell besser geeignet ist als die polynomischen Umformung der GAB Gleichung und die Chung-Pfost Modell. Die Lagerungsexperimente bestätigten zunächst die Regel: je trockner das Saatgut ist, desto besser ist dessen Lagerfähigkeit. Allerdings zeigte sich deutlich ein optimaler Samenfeuchtigkeitsgehalt (OMC) für die ?ultra-dry? Saatgutlagerung, unterhalb dessen die Lagerfähigkeit wieder signifikant abnimmt. Bei einer Lagerungstemperatur von 50 °C betrugen die OMC des Saatguts der Rapslinien HR2203 und HR2632 4,0 % bzw. 3,1 %, der Weizensorten Naturastor und Triso 2,3 % bzw. 2,0 %, sowie der Zwiebelsorten Giugenese und Sturo 1,9 % bzw. 1,5 %. Diese Samenfeuchtigkeitsgehalte standen nach den Sorptionsisothermen mit folgenden optimalen relativen Luftfeuchtigkeiten im Gleichgewicht: 42 %, 22 %, 11 %, 6 %, 1 % bzw. 3 %. Für die Lagerung des Saatguts der Zwiebelsorten Giugenese und Sturo bei ca. 20 °C betrugen die OMC 2,7 % und 1,9 % und die entsprechenden optimalen relativen Luftfeuchtigkeiten 2 % bzw. 5 %. Die OMC sind somit nicht nur artspezifisch, sondern auch sorten- oder partiespezifisch und zudem temperaturabhängig. Oberhalb des jeweiligen OMC konnte das Lagerungsverhalten des Saatguts mit der Lebensfähigkeitsgleichung hinreichend modelliert werden. Das Lagerungsverhalten unterhalb des OMC wurde mit Polynomen beschrieben. Es konnte keine allgemein gültige Ober- und Untergrenze des Samenfeuchtigkeitsgehalts oder der relativen Luftfeuchtigkeit für eine erfolgreiche Lagerung festgestellt werden. Auffällig war, dass bei den jeweiligen OMC die Lagerfähigkeit von Rapssaatgut besser als die von Weizen- und Zwiebelsaatgut war, obgleich unter üblichen Bedingungen die Lagerfähigkeit von Weizen besser als die der beiden anderen Arten ist. Beim OMC verlor Rapssaatgut mit einer Ausgangskeimfähigkeit von 99 % während einer einjährigen Lagerung bei 50 °C rechnerisch nur 0,14 % Keimfähigkeit. Die Versuchsergebnisse zeigten entgegen der bislang üblichen Bewertung des Lagerungsverhaltens von Samen, dass im Bereich der ?ultra-dry? Lagerung die Wirkungen der Temperatur und des Samenfeuchtigkeitsgehalts auf die Lagerfähigkeit nicht voneinander unabhängig sind, und sich ihre Wirkungen nicht wechselseitig ausgleichen lassen. Hochgerechnet auf die ?ultra-dry? Lagerung bei Umgebungstemperatur in einer Genbank kann davon ausgegangen werden, dass das Saatgut mindestens 3 Jahre lang sicher gelagert werden kann. Längere Zeiträume sind möglich, hierfür ist aber das Einhalten des art-, sorten- und wohl auch partiespezifischen OMC erforderlich, dessen jeweilige Bestimmung in der Praxis nicht realistisch ist. Somit bleibt, für die ?ultra-dry? Langzeitlagerung in Genbanken zu empfehlen, Saatgutproben auf niedrige Samenfeuchtigkeitsgehalte im Bereich von 1,5 bis 4 % einzustellen und sicherheitshalber unter kühlen Bedingungen zu lagern.

The conservation of plant genetic resources through seed storage in gene banks is primarily restricted to relatively short lived plants with orthodox seeds, to which most agricultural and horticultural species belong. Their storage properties are influenced by two key factors, seed moisture content and storage temperature. Ultra-dry seed storage follows the theory that drying seeds to sufficiently low moisture contents could achieve successful long-term seed storage even at room temperature. The artificial freezing storage of seeds, which is usually used in modern gene banks, would not be required. This is very attractive for the gene banks in developing countries where energy supply is limited. The following questions are still remained to be answered for the realization of ultra-dry seed storage. ? Will the seeds be damaged by drying close to 0 % moisture content? ? Is there for ultra-dry seed storage optimal moisture content (OMC) or optimal relative humidity (ORH) as well as a respective upper and lower limit above 0%? ? If such upper and lower limits exist, are they identical among species? ? How good is the storability of the seeds under ultra-dry conditions? Does the improved seed viability equation of Ellis and Roberts (1980) also apply to the ultra-dry region? Seed samples of the four breed lines HR2203, HR2632,HR2660 and HR2693 of rape seeds (Brassica napus L.), the three cultivars Naturastor, Tomi and Triso of wheat (Triticum aestivum L.) and the two cultivars Giugenese and Sturo of onion (Allium cepa L.) were used. The moisture contents (MC) of onions, rape seed and wheat were adjusted separately to 39 different levels from near 0 % to 7 % in sealed desiccators with silica gel (r.H. close to 0 %) or in the fine-drying chamber (r.H. about 10 %) of the gene bank at IPK-Gatersleben. The dried seed samples were sealed individually in aluminum foil to keep the MC. The equilibrium relative humidity was determined after 14 days by using a metal thread sensor. Sorption isotherms were created according to these data. The wheat and the rape seed samples were then stored at 50 °C for about one year and eight months, respectively. The onion seeds were stored at room temperature for about one year and subsequently stored at 50 °C for up to three months. The germination and seed vigor tests were performed during storage. The experimental results reveal that the Henderson model fits the experimental moisture sorption data better than the modified GAB and Chung-Pfost equation and is therefore suggested for modeling the correlation between the equilibrium moisture content and the relative humidity in ultra dry region. The germination and seed vigor tests indicate that the seed storability increases along with decreasing seed moisture contents till an optimum is reached. There is clearly an optimum seed moisture content (OMC) for the ultra-dry seed storage, below which the storability decreases significantly. The OMC for storage at 50 °C are 4 % and 3.1 % for rape seeds breed lines HR2203 and HR2632, 2.3 % and 2.0 % for the wheat cultivars Naturastor and Triso, as well as 1.9 % and 1.5 % for the onions cultivars Giugenese and Sturo. The corresponding optimum relative humidity (ORH) in balance are 42 %, 22 %, 11 %, 6 %, 1 % and 3 %, respectively. The OMC for the storage of onion cultivars Giugenese and Sturo at about 20 °C are 2.7 % and 1.9 %, and the corresponding ORH are 2 % and 5 %, respectively. Thus, the OMC and ORH are not only species specific, but also cultivar- and possibly also seed lot-specific and temperature dependent. The improved seed viability equation can be used to describe the seed storage behavior above the OMC adequately. The seed storage behavior below the OMC could be described with polynomials. Based on the obtained data it is not possible to give a general recommendation for upper and lower limits of the seed moisture content or relative humidity for a successful ultra dry storage. The storage property of rape seed stored at OMC is better than those of wheat and onion seeds; although under normal conditions the storability of wheat is better than that of the other two species. Calculated from obtained data rape seed with 99 % initial germination lost only 0.14 % of germination during one-year storage at 50 °C. Contrary to the hitherto conventional evaluation of the storage behavior of seeds, the experimental results showed that the temperature and seed moisture content do not affect storage property of seed independently and their effects cannot be offset against each other in the ultra dry region. Extrapolated to the ultra-dry seed storage at ambient temperature in a gene bank it can be assumed that the seed can be stored safely for at least 3 years. Longer storage is possible, but it is required to keep the seed of different species, cultivars and even seed lots at their specific OMC. The separate determination of OMC for all accessions in a gene bank is practically difficult to carry out. Thus, it is recommended for long-term storage in gene banks to store seed samples at appropriate low seed moisture contents from 1.5 % to 4.0 % and under cool conditions as a precaution.