El estudiante de posgrado Tim Kelliher y la profesora Virginia Walbot examinan espigas de maíz en el campo del campus de Stanford. Foto:LA Cicero
Usando un enfoque simple, un equipo de científicos de la Universidad de Stanford demostró que los bajos niveles de oxígeno en el interior de las flores en desarrollo son todo lo que se necesita para desencadenar la formación de células sexuales vegetales. Los hallazgos pueden conducir a nuevas técnicas de fitomejoramiento.
La vida sexual del maíz ha recibido mucha atención lasciva a lo largo de los años. Para el año 5000 a. C., los agricultores de las Américas ya estaban produciendo las primeras variedades híbridas de maíz mediante la polinización cruzada de plantas para generar plantas más grandes o granos de colores.
Hoy en día, la producción de semillas híbridas de maíz es una industria multimillonaria, y el cruzamiento también es fundamental para la producción de la mayoría de las demás especies. Pero a pesar del papel central de la reproducción de plantas en la agroindustria, los investigadores nunca han respondido una pregunta básica:¿De dónde provienen las células sexuales de las plantas?
La respuesta, según la profesora de biología de Stanford Virginia Walbot y el estudiante graduado Timothy Kelliher, es sorprendentemente simple. En una serie de experimentos elegantes, Walbot se enorgullece de "pensar en experimentos que se pueden hacer básicamente sin dinero", los investigadores demostraron que los bajos niveles de oxígeno en el interior de las flores en desarrollo son todo lo que se necesita para desencadenar la formación de células sexuales.
El descubrimiento no es solo de interés académico.
"Controlar la reproducción de las plantas es bastante fundamental para la agricultura moderna", dijo Walbot.
En una industria del maíz que todavía desespiga las semillas de maíz a mano como una forma de controlar quién fertiliza a quién, una técnica que activa o desactiva la producción de células sexuales podría permitir un control dramáticamente mayor sobre el cruzamiento de plantas.
El trabajo de investigación apareció recientemente en la revista Science.
Cuando dos flores se quieren mucho
Todas las plantas con flores producen polen dentro de estructuras llamadas anteras, que en el maíz crecen del racimo distintivo de flores masculinas que conocemos como borla. Pero antes de que estas anteras maduren, se disponen en forma de trébol en lo profundo de la planta. Las células centrales dentro de cada uno de estos lóbulos en forma de trébol se convertirán en células sexuales y, finalmente, en polen.
El mecanismo detrás de este desarrollo era desconocido en las plantas. En los animales, las células circundantes le indican a la línea germinal que comience a formarse a partir de una sola “célula fundadora”. Walbot y Kelliher se inclinaban por este punto de vista, habiendo identificado dos moléculas de señalización prometedoras, MAC1 y MSCA1. Las plantas que carecían de la proteína MAC1 desarrollaron demasiadas células germinales. Las plantas que carecían de MSCA1 no tenían ninguno.
Claramente, MAC1 era importante para organizar las células no sexuales alrededor de las células germinales, mientras que MSCA1 era necesario para que las células se convirtieran en células sexuales. Pero la conexión entre los dos, y lo que inicialmente llevó a su expresión, seguía sin estar claro.
Un papel para redox
Aunque la mayoría de los investigadores asumieron que, como en los animales, las células sexuales se estaban desarrollando a partir de un conjunto especial de células con una predilección predeterminada por el papel, Walbot y Kelliher vieron dos pistas que implicaban lo contrario.
Primero, la disposición física de las células sexuales no apuntaba a la existencia de un solo "fundador". De hecho, sugirió un escenario en el que "su posición como célula importaba más que quiénes eran sus padres", dijo Kelliher.
En segundo lugar, la forma en que operaba la enzima MSCA1 sugirió que los niveles de oxígeno podrían desempeñar un papel en el proceso de señalización.
El ambiente dentro de una planta puede ser "oxidante", donde el oxígeno es abundante y se favorece la oxidación, o "reductor", donde se evita la oxidación, generalmente por falta de oxígeno reactivo, y se favorece el proceso opuesto de reducción. MSCA1 envió su señal a través de la reducción, lo que significa que diferentes niveles de oxígeno podrían tener diferentes efectos en el desarrollo.
Para probar la teoría, los investigadores insertaron una sonda profundamente en el tejido inmaduro de la antera del maíz. Lo que encontraron fue revelador:niveles de oxígeno inusualmente bajos, probablemente un efecto secundario de la actividad metabólica de las anteras que crece rápidamente, en el momento preciso en que las células comenzaban a convertirse en células sexuales.
Manguera de maíz
Para ver si el oxígeno bajo por sí solo era responsable del desarrollo de las células sexuales, los investigadores colocaron una manguera de plástico en la antera en desarrollo y canalizaron mezclas de gases.
Las altas concentraciones de oxígeno redujeron drásticamente el número de células sexuales. Las altas concentraciones de gas nitrógeno, que es inerte y proporciona un entorno reductor, aumentan la formación de células sexuales.
“Fue un experimento notablemente fácil”, dijo Walbot. "Tuvimos los resultados iniciales en dos días".
Los investigadores demostraron que los niveles bajos de oxígeno podrían incluso hacer que las células fuera de los lóbulos de las anteras, que normalmente nunca producirían polen, se conviertan en células sexuales.
En conjunto, explicó Walbot, la evidencia sugiere que las variaciones naturales en los niveles de oxígeno dentro de la antera en crecimiento hacen que las células centrales se vuelvan hipóxicas primero:"Las células que son más hipóxicas luego activan el interruptor".
Una vez que los niveles de oxígeno caen por debajo de cierto umbral, MSCA1 finalmente puede funcionar y reducir su objetivo, lo que hace que las células centrales se conviertan en células sexuales. Luego, estas células liberan MAC1, lo que a su vez garantiza que las células externas no se conviertan en la línea germinal.
Es un patrón de diferenciación de adentro hacia afuera, completamente diferente a lo que hacen las líneas germinales animales, lo que puede explicar por qué tomó tanto tiempo descubrirlo.
“La planta aprovecha su propia estructura para crear esta señal de desarrollo”, dijo Kelliher. “Y luego, cualquier célula puede crear la próxima generación siempre que esté en el lugar correcto, no es necesario que esté especialmente designado. Es una especie de idea romántica”.
Hijos de la investigación del maíz
Vigilar de cerca todo este proceso de fertilidad de la planta es crucial para la industria de semillas híbridas. Los campos generalmente se siembran con dos variedades de semillas de maíz que se van a cruzar. Para evitar que las plantas se fertilicen a sí mismas, lo que da como resultado plantas de calidad inferior, se deben eliminar todas las espigas de una especie.
Esta es una tarea enorme que requiere máquinas desespigadoras especializadas, seguidas por personas que verifiquen las plantas que se hayan perdido.
“Actualmente, eliminan las espigas en 1 millón de acres de maíz cada año, a razón de 20,000 plantas por acre”, dijo Walbot. "Son miles de millones de plantas desespigadas a mano".
Se han desarrollado variedades estériles de maíz que no requieren despanojarse, pero las versiones que se perpetúan a sí mismas han resultado difíciles de perfeccionar. Un método de esterilización con bajo contenido de oxígeno podría simplificar mucho la hibridación automatizada, lo que permitiría aplicarla a una gran cantidad de variedades.
“Dejamos esas aplicaciones a la industria”, dijo Walbot. Pero los efectos de la investigación podrían ser de gran alcance. Suponiendo que los hallazgos sean válidos para todas las plantas con flores, como varios grupos de investigación ahora buscan confirmar, el descubrimiento podría abrir un nuevo nivel de control de la fertilidad para una gran variedad de cultivos.
La Universidad de Stanford actualmente está buscando una patente sobre algunos de los hallazgos del artículo.
Imagen:LA Cicero
