Spiringen kan være hypogeisk eller epigeisk eller en mellomting mellom disse. Hos gras er det første bladet dekket av en gjennomsiktig koleoptile (frøbladskjede, gr. koleos - skjede) og roten er i starten dekket av en rotskjede (koleorhiza, gr. rhiza - rot).
Rehydrering (imbibering) av frø skjer gjennom rester av mikropylen som sitter i frøskallet. Imbiberingen skjer i både levende og dødt frø og er en ren fysisk prosess som skyldes det lave vannpotensialet i frø grunnet matrikskreftene i tørre cellevegger, stivelse og protei. Vannpotensialet i frøet før imbibering kan være inntil – 20 megapascal (MPa). Et slimlag i frøveggen gir jevnere hydrering.Det samme som skjer når tørre aviser i fuktige støvler trekker til seg vann, eller når vann tilsettes innholdet av en suppepose. Også dødt frø vil svelle og ta opp vann, men det skjer ingen videre vekst. Med et termometer kan vi måle en liten temperaturstigning under vannopptaket uavhengig av om frøet er levende eller ikke. Vannmolekylene er stadig i bevegelse, men når de bindes til celleveggene må de holde seg i ro. Den bevegelsesenergien de hadde må frigis som varme. Kornet sveller og når fuktigheten i frøet blir høy nok starter spiringen forutsatt at temperaturen er gunstig. Kornet trenger også oksygen fra lufta. Hvis det er for lite oksygen starter etanolgjæring. Et godt eksempel er erter som blir liggende i vann. Frø fra dunkjevle vil derimot spire best i et vannrikt område.
Ved spiringen er det kimrota som først trenger igjennom (penetrerer) frøskallet. Deretter kommer skuddet med ett eller to frøblad. Det skjer strekningsvekst og forlengelse av den del av kimstengelen som ligger over frøbladene (epikotyle) eller under frøbladene (hypokotyle). Bønner (Phaseolus vulgaris), løk (Allium cepa) og ricinus (Ricinus communis) har epigeisk frøspiring hvor frøbladene med opplagsnæring kommer over jorda ved frøspiring. Erter (Pisum sativum) har hypogeisk frøspiring hvor frøbladene med opplagsnæring (de to halvdelene i ertefrøet) forblir under jorda.
Sov, du vesle spire ung,
ennå er det vinter,
ennå sover bjørk og lyng,
roser, hyasinter.
Ennå er det langt til vår,
langt til rogn i blomstring står.
Sov, du vesle spire,
ennå er det vinter.
Zacharias Topelius.
Spiring av fettfrø - fra fett til sukker
Fett inneholder mye karbon og hydrogen i forhold til oksygen, det vil si mye potensiell energi som kan frigis ved oksidasjon. Fettet er lagret i endosperm (frøhvite) eller frøblad. Avokado og oliven er eksempler på frukt som inneholder mye fett. Fett (lipider) finnes som opplagsnæring i organeller kalt oleosomer i frø. Fett lagret i oleosomer i frø blir omsatt under frøspiringen. Først brytes hydrolytisk bindingen mellom fettsyrene og glycerol katalysert av enzymet lipase. Lipase finnes i oleosomer eller glyoksysomer. Fettsyrene blir oksidert ved β-oksidasjon i glyoksysomer. Her spaltes det av to og to karbonatomer i form av acetyl-CoA. Fettsyrer som blir fraktet til glyoksysomer blir i glyoksysomene aktivert til fettsyre-acyl-CoA som er substrat for β-oksidasjonen katalysert av fettsyre-acyl-CoA syntase. Fettsyrene nedbrytes og forkortes hver gang med to karbonatomer, og det dannes NADH og FADH2 for hver acetyl-CoA som kappes av fettsyren.
Acetyl-CoA fra β-oksidasjonen blir metabolisert til succinat i glyoksylatsyklus. Glyoksylatsyklus hindrer fullstendig oksidasjon til karbondioksid og gir mulighet for å lage sukker via glukoneogenesen.
Først reagerer acetyl-CoA med oksaledikksyre og danner citrat katalysert av enzymet citrat syntase. Citrat fraktes ut av glyoksysomene til cytosol og vil ved isomerisering danne isocitrat katalysert av aconitase. Isocitrat reimporteres til glyoksysomene. Deretter spaltes isocitrat med 6 karbondatomer katalysert av isocitrat lyase til succinat med 4 karbonatomer og glyoksylat med 2 karbonatomer. Succinat overføres til mitokondriene og omdannes til malat (eplesyre) ved å bruke en del av trikarboksylsyresyklus. Malat fraktes deretter ut i cytosol og enzymet malat dehydrogenase omdanner malat til oksaledikksyre. Oksaloacetat kan deretter omdannes til karbohydrat. Oksaledikksyre danner fosfoenolpyruvat katalysert i en ATP-avhengig dekarboksyleringsreaksjon katalysert av enzymet fosfoenolpyruvat karboksykinase. Fosfoenolpyruvat kan omsettes ved reversering av glykolysen (glukoneogenesen) til sukker. Hva med glykosylat ? Jo, den reagerer med nok et molekyl acetyl-CoA fra fettsyrene og omdannes til malat katalysert av malat syntetase. Deretter lages oksaledikksyre fra malat katalysert av malat dehydrogenase og oksaleddiksyre er klar for å reagere på nytt med et molekyl acetyl-CoA. NADH i glyoksysomene fra β-oksidasjon av fettsyrer fraktes til mitokondriene via en malat/aspartat skyttel. Aspartat aminotransferase i mitokondriene omdanner oksaleddiksyre og glutamat til aspartat og 2-oksoglutarat. Aspartat fraktes til glyoksysomene og der skjer den motsatte reaksjonen. Aspartat omdannes til oksaleddiksyre og videre til malat som fjerner overskuddet av NADH. Malat fraktes deretter til mitokondriene.
Hos planter skjer β-oksidasjonen i glyoksysomer, mens i dyr skjer β-oksidasjonen i mitokondrier. I vegetativt vev i mungbønner og potetknoller skjer β-oksidasjonen i peroksysomer. Planter kan også utføre α-oksidasjon av fettsyrer.
Frøhvile
Etter at frø er ferdig utviklet på morplanten er det ekte primær hvile og frøet vil ikke umiddelbart spire og må igjennom en ettermodning som hos korn. Frøhvile kan skyldes frøskallet, embryohvile, umodent embryo, høy konsentrasjon av plantehormonet abscisinsyre eller andre spiringshemmende forbindelser som må nedbrytes, for eksempel ved stratifisering hvor frøet ligger fuktig ved lav temperatur et par måneder. Økende konsentrasjon av plantehormonet gibberellin kan bryte frøhvile. Sekundær uekte hvile skyldes at de ytre forhold for spiring ikke er tilstede: vann, temperatur, oksygen, lys for lyskrevende frø, skygge for skyggekrevende frø registrert via fytokrom. Frø kan spire på morplanten, vivipari, hvis det er lave konsentrasjoner av abscisinsyre (ABA) i frøet eller manglende ikke-virksom ABA-reseptor, for eksempel geitsvingel og fjellrapp i fjellet eller hos mangrove.
Lys og frøspiring
Noen frø trenger lys for å spire. Spesielt gjelder dette planter som vokser på lysåpne steder f.eks. ugrasplanter som åkersennep, meldestokk, groblad, men også følblom, bjerk, or og furu. Store frø har nok opplagsnæring til å understøtte lang vekstperiode i mørke. Små lyskrevende frø må spire nær jordoverflaten, og trenger høyt Rødt/Mørkerødt-forhold registrert av fytokrom for å kunne spire. Vegetasjonsskygge gir endret forhold mellom rødt og mørkerødt lys. Skygge forårsaket av vegetasjon gjør at forholdet mellom rødt og mørkerødt lys minsker. Høy andel med rødt i lyset fremmer frøspiring, mens høy andel mørkerødt lys hemmer spiringen. Frø av "Jomfruen i det grønne" må ha mørke for å spire, men de fleste frø spirer uavhengig av lys. Alle kulturplantene er fjernet så langt fra sin opprinnelige naturtilpassede tilværelse at disse spirer uavhengig av lys og mørke. Undersøkelsene av lysets betydning for blomstring og frøspiring førte frem til oppdagelsen av fargestoffet fytokrom. Det er mørkerødtformen av fytokrom (FMR) som er et trinn i prosessen som får frø til å spire. I salatfrø fører rødt lys til økt mengde biologisk aktivt gibberellin.
Frøspiring
Frøet er omgitt av et beskyttende frøskall og embryo inneholder strukturene til den ferdige planten. Frøspiringen starter med vannopptak i frøet kalt imbibering. Indre overflater i frøet virker sterkt hygroskopisk (lavt matrikspotensial) og trekker til seg vann fra omgivelsene. Den første veksten av frøplanten (kimplanten) er heterotrof. Først vokser kimrota ut av frøet og deretter skuddet beskyttet i form av en apikal krok eller dekket av en koleoptile. I fettfrø omdannes fett til sukker. Fettsyrene spaltes av fra fett katalysert av lipase. Fettsyrene fraktes til glyoksysomene hvor de i β-oksidasjonen brytes ned til acetyl-CoA. I glyoksylatsyklus omdannes to molekyler acetyl-CoA til succinat, som deretter fraktes til mitokondriene og blir metabolisert i deler av trikarboksylsyresyklus. Sukker lages deretter i glukoneogenesen og fraktes til den unge kimplanten. I grasfrø lages og utskilles hydrolyttiske enzymer fra aleuronlaget og skutellum. Nysyntese av enzymer trenger utvikling av endoplasmatisk retikulum i aleuronlagscellene og er også avhengig av gibberelliner som kommer fra embryo. Minst 4 forskjellige α-amylaser produseres av aleuronlaget. β-glukanaser bryter ned celleveggene i endospermcellene og deretter kan amylasene bryte ned stivelse til enkle karbohydrater som fraktes via skutellum til den unge kimplanten. Proteaser og peptidase bryter ned lagringsproteiner til aminosyrer og dipeptider som fraktes samme vei. Endopeptidaser er f.eks. aspartat protease, serin protease og cystein protease. Eksopeptidaser er f.eks. karboksypeptidase, aminopeptidase og dipeptidase. Fytat brytes ned av fytase. Erter og bønner er to eksempler på frø som lagrer opplagsnæringen i frøbladene, de to halvdelene dekket av frøskallet. Erter har hypogeisk spiring, det vil si at frøbladene forblir ved jordoverflaten. Bønner har epigeisk spiring, det vil si grønne frøblad løftes opp med stengelen over jorda.
Et frø er et modent frøemne som avkastes fra foreldreplanten og består av et embryo og opplagsnæring omgitt av et frøskall. Frøspiringen består av imbibering av vann, aktivering av enxymsystemer, metabolisme av lagringsprodukter og påfølgende transport og syntese av nye materialer og vekst av rot og skudd. Vannpotensialet i frø kan være -100 MPa som skyldet lavt matirkspotensial forårsaket av cellevegger, stivelse, protein . Dette gir et raskt vannopptak. Det skjer en rask økning i respirasjonen like etter imbibering. I den første fasen er det bare vann og oksygen som tas opp av frøet. Hoveddelen av lagringsstoffer i frøet er stivelse, fett, protein, polyfosfater. Stivelse brytes ned av α- og β-amylaser. Tørt frø inneholder vesentlig β-amylase. αamylase omdanner stivelse til forskjellige sukker, maltose og glukose, mens β-amylase lager maltose og dekstriner fra den ikke-reduserende enden av stivelse. Fett lagres i fettlegemer (sferosomer. Lipaser spalter fettet og fettsyrene omdannes via β-oksidasjonen til acetyl-CoA, som går inn i trikarboksylsyrecyklus. Fettsyrene kan også brytes ned via α-oksidasjon som peroksidativt dekarboksylerer fettsyrene og danner CO2 . De langkjedete aldehydene som dannes oksideres til syre vha. NAD. Lipoksidase spiller også en rolle ved fettsyreoksidasjonen ved å bryte dem ned til mindre biter.
Proteinet i frø finnes lagret vesentlig i proteinlegemer. Brytes ned av proteinaser, peptidaser. Peptidasene kal deles inn i endopeptidaser, eksopeptidaer, karboksypeptidaser og aminopeptidaser avhengig av hvor de angriper proteinmolekylet.
Forfor finnes lagret i nukelinsyrer, fosfolipider, fosfatestere av sukker, nukleotider og fytin. Fytin kun utgjøre opptil 80 % av det totale fosforlageret i frøet, og fosfat frigis vha. fytase.
Noen frø er kuldetolerant og vil spire ved så lav temperatur som 4 o, men vil også spire ved høyere temperatur (broccoli, gulrot, kål). Varmekrevende frø vil ikke spire ved temperayturer mellom 10 og 15 o (tomat, bønner, sorghum, eggplant, agurk). Visse frø trenger lys for å spire.
Spiredyktighet og levetid for frø
Frø beholder spireevnen best hvis de lagres kaldt og tørt. Frø bør tørkes til et vanninnhold lavere enn 5 % og plasseres lufttett og dypfryst ved ca. -20oC. Tørt frø virker sterkt hygroskopisk og trekker til seg fuktighet fra omgivelsene slik at frøet må oppbevares i gasstette beholdere f.eks. glassflasker. Hvor lenge frøene holder seg spiredyktige varierer, men de fleste mister spireevnen raskt hvis de lagres fuktig og varmt. Frø kan ligge i jorda 20-40 år og være spiredyktige. Det er en frøbank i jorda - et reservoir med frø. Hvor lenge frø kan ligge og være spiredyktige avhenger av predasjon, lys, temperatur, vann, sykdommer, mekaniske og kjemiske forhold og brann. Fra erteblomstfamilien er det kjent at 100-200 år gamle frø kan spire. I myrer i Danmark er det funnet frø av meldestokk (Chenopodium album) og linbendel (Spergula arvensis) som er spiredyktige etter 1700 år. Frø fra lotusblomsten (Nelumbium nuciferum) kan være spiredyktig etter 2000 år. Rekorden innehas av en arktisk lupin (Lupinus arcticus) som har beholdt spireevnen i over 10.000 oppbevart i permafrosten i arktisk tundra. I den Nordiska Genbanken - Alnarp, lagres frø fra planter brukt i land- og hagebruk i Norden. Frø ligger også lagret i permafrosten i gruve 3 "Frøys hall" på Svalbard.
Litteratur:
Porsild, A.E., Harington, C.R. & Mulligan, G.A.: Lupinus arcticus Wats. Grown from seeds of Pleistocene age. Science 15 (1967)113-114.