Il dottorando Tim Kelliher e la professoressa Virginia Walbot esaminano le nappe di mais nel campo del campus di Stanford. Foto:L.A. Cicerone
Utilizzando un approccio semplice, un team di scienziati della Stanford University ha dimostrato che bassi livelli di ossigeno nelle profondità dei fiori in via di sviluppo sono tutto ciò che serve per innescare la formazione di cellule sessuali vegetali. I risultati potrebbero portare a nuove tecniche di miglioramento genetico delle piante.
La vita sessuale del mais ha ricevuto molta attenzione pruriginosa nel corso degli anni. Nel 5000 a.C., gli agricoltori delle Americhe stavano già producendo le prime varietà ibride di mais mediante l'impollinazione incrociata delle piante per generare piante più grandi o chicchi colorati.
Oggi, la produzione di semi ibridi nel mais è un'industria multimiliardaria e l'incrocio è fondamentale anche per la produzione della maggior parte delle altre specie. Ma nonostante il ruolo centrale della riproduzione vegetale nell'agrobusiness, i ricercatori non hanno mai risposto a una domanda fondamentale:da dove provengono le cellule sessuali delle piante?
La risposta, secondo la professoressa di biologia di Stanford Virginia Walbot e lo studente laureato Timothy Kelliher, è sorprendentemente semplice. In una serie di eleganti esperimenti - Walbot è orgogliosa di "pensare a esperimenti che puoi fare praticamente senza soldi" - i ricercatori hanno dimostrato che bassi livelli di ossigeno nelle profondità dei fiori in via di sviluppo sono tutto ciò che è necessario per innescare la formazione di cellule sessuali.
La scoperta non è solo di interesse accademico.
"Il controllo della riproduzione delle piante è abbastanza fondamentale per l'agricoltura moderna", ha affermato Walbot.
In un'industria del mais che ancora stacca a mano i semi di mais per controllare chi fertilizza chi, una tecnica che attiva o disattiva la produzione di cellule sessuali potrebbe consentire un controllo notevolmente maggiore sull'incrocio delle piante.
Il documento di ricerca è apparso di recente sulla rivista Science.
Quando due fiori si amano moltissimo
Tutte le piante da fiore producono polline all'interno di strutture chiamate antere, che nel mais crescono dal caratteristico grappolo di fiori maschili che conosciamo come la nappa. Ma prima che queste antere maturino, sono disposte a forma di trifoglio nel profondo della pianta. Le cellule centrali all'interno di ciascuno di questi lobi a forma di trifoglio si trasformeranno in cellule sessuali e, infine, in polline.
Il meccanismo alla base di questo sviluppo era sconosciuto nelle piante. Negli animali, le cellule circostanti segnalano alla linea germinale di iniziare a formarsi da una singola "cellula fondatrice". Walbot e Kelliher erano favorevoli a questo punto di vista, avendo identificato due promettenti molecole di segnalazione, MAC1 e MSCA1. Le piante prive della proteina MAC1 hanno sviluppato troppe cellule germinali. Gli impianti privi di MSCA1 non ne avevano affatto.
Chiaramente, MAC1 era importante per organizzare le cellule non sessuali attorno alle cellule germinali, mentre MSCA1 era necessario affinché le cellule si sviluppassero in cellule sessuali. Ma il collegamento tra i due, e ciò che inizialmente ha portato alla loro espressione, è rimasto poco chiaro.
Un ruolo per il redox
Sebbene la maggior parte dei ricercatori ritenesse che, come negli animali, le cellule sessuali si stessero sviluppando da un insieme speciale di cellule con una predeterminata predilezione per il ruolo, Walbot e Kelliher hanno visto due indizi che implicavano il contrario.
In primo luogo, la disposizione fisica delle cellule sessuali non indicava l'esistenza di un unico "fondatore". In effetti, suggeriva uno scenario in cui "la tua posizione di cellula contava più di chi fossero i tuoi genitori", ha detto Kelliher.
In secondo luogo, il modo in cui operava l'enzima MSCA1 suggeriva che i livelli di ossigeno potessero svolgere un ruolo nel processo di segnalazione.
L'ambiente all'interno di una pianta può essere "ossidante" - dove l'ossigeno è abbondante e l'ossidazione è favorita - o "riducente" - dove l'ossidazione è impedita, solitamente dalla mancanza di ossigeno reattivo, e viene favorito il processo opposto di riduzione. MSCA1 ha inviato il suo segnale attraverso la riduzione, il che significa che livelli di ossigeno diversi potrebbero avere effetti sullo sviluppo diversi.
Per testare la teoria, i ricercatori hanno inserito una sonda in profondità nel tessuto immaturo dell'antera del mais. Quello che hanno scoperto è stato significativo:livelli di ossigeno insolitamente bassi - probabilmente un effetto collaterale dell'attività metabolica delle antere in rapida crescita - nel momento preciso in cui le cellule stavano iniziando a trasformarsi in cellule sessuali.
Tubo di mais
Per vedere se il basso livello di ossigeno da solo fosse responsabile dello sviluppo delle cellule sessuali, i ricercatori hanno inserito un tubo di plastica nell'antera in via di sviluppo e convogliato in miscele di gas.
Alte concentrazioni di ossigeno hanno ridotto drasticamente il numero di cellule sessuali. Alte concentrazioni di azoto gassoso, che è inerte e fornisce un ambiente riducente, una maggiore formazione di cellule sessuali.
"È stato un esperimento straordinariamente facile", ha detto Walbot. "Avevamo i primi risultati in due giorni."
I ricercatori hanno dimostrato che bassi livelli di ossigeno potrebbero anche far sì che le cellule al di fuori dei lobi dell'antera, che normalmente non produrrebbero mai polline, si trasformino in cellule sessuali.
Nel complesso, ha spiegato Walbot, l'evidenza suggerisce che le variazioni naturali dei livelli di ossigeno all'interno dell'antera in crescita fanno sì che le cellule centrali diventino prima ipossiche:"Le cellule che sono più ipossiche poi possono attivare l'interruttore".
Una volta che i livelli di ossigeno scendono al di sotto di una certa soglia, MSCA1 è finalmente in grado di andare a lavorare e ridurre il suo obiettivo, facendo sì che le cellule centrali diventino cellule sessuali. Queste cellule rilasciano quindi MAC1, che a sua volta assicura che le cellule esterne non diventino linea germinale.
È un modello di differenziazione al rovescio, completamente diverso da quello che fanno le linee germinali degli animali, il che potrebbe spiegare perché ci è voluto così tanto tempo per essere scoperto.
"La pianta sfrutta la propria struttura per creare questo segnale di sviluppo", ha affermato Kelliher. "E poi qualsiasi cellula può creare la generazione successiva purché sia nel posto giusto:non devi essere designato in modo speciale. È una specie di idea romantica."
Figli della ricerca sul mais
Tenere sotto controllo l'intero processo di fertilità delle piante è fondamentale per l'industria delle sementi ibride. I campi sono solitamente piantati con due varietà di semi di mais che verranno incrociati. Per evitare che le piante si concimino da sole, il che si traduce in piante di qualità inferiore, tutte le nappe di una specie devono essere rimosse.
Questo è un compito enorme che richiede macchine detassellatrici specializzate, seguite da persone che controllano la presenza di piante mancate.
"Attualmente rimuovono le nappe su 1 milione di acri di mais ogni anno, a 20.000 piante per acro", ha detto Walbot. "Sono miliardi di piante staccate a mano."
Sono state sviluppate varietà sterili di mais che non richiedono la rimozione dei fiocchi, ma le versioni autoperpetuanti si sono rivelate difficili da perfezionare. Un metodo di sterilizzazione a basso contenuto di ossigeno potrebbe rendere l'ibridazione automatizzata molto più semplice, consentendone l'applicazione a un gran numero di varietà.
"Lasciamo queste applicazioni all'industria", ha affermato Walbot. Ma gli effetti della ricerca potrebbero essere di ampio respiro. Partendo dal presupposto che i risultati valgano per tutte le piante da fiore, come stanno ora cercando di confermare numerosi gruppi di ricerca, la scoperta potrebbe aprire un nuovo livello di controllo della fertilità per una vasta gamma di colture.
La Stanford University sta attualmente cercando un brevetto su alcuni dei risultati del documento.
Immagine:LA Cicerone
