Absolwent Tim Kelliher i profesor Virginia Walbot badają frędzle kukurydziane na polu na terenie kampusu Stanford. Zdjęcie:LA Cicero
Posługując się prostym podejściem, zespół naukowców z Uniwersytetu Stanforda wykazał, że niski poziom tlenu głęboko wewnątrz rozwijających się kwiatów to wszystko, co jest potrzebne do wywołania formowania się roślinnych komórek płciowych. Odkrycia mogą prowadzić do nowych technik hodowli roślin.
Życie seksualne kukurydzy zyskało na przestrzeni lat wiele uwagi. Do 5000 lat p.n.e. rolnicy w obu Amerykach produkowali już pierwsze hybrydowe odmiany kukurydzy poprzez zapylanie krzyżowe roślin w celu wygenerowania większych roślin lub kolorowych ziaren.
Dziś produkcja nasion hybrydowych w kukurydzy jest przemysłem wartym wiele miliardów dolarów, a krzyżowanie ma również fundamentalne znaczenie dla produkcji większości innych gatunków. Ale pomimo kluczowej roli reprodukcji roślin w agrobiznesie, naukowcy nigdy nie odpowiedzieli na podstawowe pytanie:Skąd pochodzą komórki płciowe roślin?
Według profesor biologii Stanford Virginii Walbot i studenta Timothy'ego Kellihera odpowiedź jest zaskakująco prosta. W serii eleganckich eksperymentów – Walbot szczyci się tym, że „myśli o eksperymentach, które można zrobić w zasadzie bez pieniędzy” – naukowcy wykazali, że niski poziom tlenu w głębi rozwijających się kwiatów to wszystko, co jest potrzebne do wywołania formowania się komórek płciowych.
Odkrycie ma nie tylko znaczenie akademickie.
„Kontrolowanie rozmnażania roślin jest dość fundamentalne dla nowoczesnego rolnictwa” – powiedział Walbot.
W przemyśle kukurydzianym, który wciąż ręcznie usuwa nasiona kukurydzy, aby kontrolować, kto kogo zapładnia, technika włączająca lub wyłączająca produkcję komórek płciowych może pozwolić na znacznie większą kontrolę nad krzyżowaniem roślin.
Artykuł badawczy ukazał się niedawno w czasopiśmie Science.
Kiedy dwa kwiaty bardzo się kochają
Wszystkie rośliny kwitnące wytwarzają pyłek w strukturach zwanych pylnikami, które w kukurydzy wyrastają z charakterystycznego skupiska męskich kwiatów, które znamy jako frędzel. Ale zanim te pylniki dojrzeją, układają się w kształcie koniczyny głęboko w roślinie. Centralne komórki w każdym z tych płatów przypominających koniczynę zamienią się w komórki płciowe i ostatecznie w pyłek.
Mechanizm tego rozwoju był nieznany u roślin. U zwierząt otaczające komórki sygnalizują linii zarodkowej, aby zaczęła tworzyć się z pojedynczej „komórki założycielskiej”. Walbot i Kelliher skłaniali się ku temu poglądowi, identyfikując dwie obiecujące cząsteczki sygnałowe, MAC1 i MSCA1. Rośliny pozbawione białka MAC1 wytworzyły zbyt wiele komórek zarodkowych. Rośliny, którym brakowało MSCA1, nie miały go wcale.
Oczywiście, MAC1 był ważny dla organizowania niepłciowych komórek wokół komórek rozrodczych, podczas gdy MSCA1 był niezbędny do przekształcenia się komórek w komórki płciowe. Ale związek między nimi i to, co początkowo doprowadziło do ich ekspresji, pozostało niejasne.
Rola redox
Chociaż większość badaczy zakładała, że podobnie jak u zwierząt, komórki płciowe rozwijają się ze specjalnego zestawu komórek z predylekcją do pełnienia tej roli, Walbot i Kelliher dostrzegli dwie wskazówki, które sugerowały, że jest inaczej.
Po pierwsze, fizyczny układ komórek płciowych nie wskazywał na istnienie jednego „założyciela”. W rzeczywistości sugeruje to scenariusz, w którym „twoja pozycja jako komórki ma większe znaczenie niż to, kim byli twoi rodzice” – powiedział Kelliher.
Po drugie, sposób działania enzymu MSCA1 sugerował, że poziom tlenu może odgrywać rolę w procesie sygnalizacji.
Środowisko wewnątrz rośliny może być albo „utleniające” – gdzie tlenu jest dużo, a utlenianie jest preferowane – lub „redukujące” – gdzie zapobiega się utlenianiu, zwykle przez brak reaktywnego tlenu, a preferowany jest odwrotny proces redukcji. Zdarzyło się, że MSCA1 wysłał swój sygnał poprzez redukcję – co oznacza, że różne poziomy tlenu mogą mieć różne skutki rozwojowe.
Aby przetestować teorię, naukowcy umieścili sondę głęboko w niedojrzałej tkance pylnika kukurydzy. To, co odkryli, mówiło:niezwykle niski poziom tlenu – prawdopodobnie efekt uboczny szybko rosnącej aktywności metabolicznej pylników – dokładnie w tym czasie, w którym komórki zaczęły przekształcać się w komórki płciowe.
Wąż kukurydziany
Aby sprawdzić, czy sam niski poziom tlenu był odpowiedzialny za rozwój komórek płciowych, naukowcy wkręcili plastikowy wąż do rozwijającego się pylnika i wprowadzili mieszaninę gazów.
Wysokie stężenie tlenu drastycznie zmniejszyło liczbę komórek płciowych. Wysokie stężenie gazowego azotu, który jest obojętny i zapewnia środowisko redukujące, zwiększa tworzenie komórek płciowych.
„To był niezwykle łatwy eksperyment” — powiedział Walbot. „Wstępne wyniki uzyskaliśmy w ciągu dwóch dni”.
Naukowcy wykazali, że niski poziom tlenu może nawet spowodować, że komórki poza płatami pylnika – które normalnie nigdy nie produkują pyłku – przekształcą się w komórki płciowe.
Podsumowując, jak wyjaśnił Walbot, dowody sugerują, że naturalnie występujące zmiany poziomu tlenu wewnątrz rosnącego pylnika powodują, że komórki centralne najpierw stają się niedotlenione:„Komórki, które są najbardziej niedotlenione, następnie rzucają przełącznik”.
Gdy poziom tlenu spadnie poniżej pewnego progu, MSCA1 może wreszcie zacząć działać i zmniejszyć swój cel, powodując, że centralne komórki stają się komórkami płciowymi. Komórki te następnie uwalniają MAC1, co z kolei zapewnia, że komórki zewnętrzne nie stają się linią zarodkową.
Jest to od wewnątrz wzorzec różnicowania, całkowicie niepodobny do tego, co robią linie zarodkowe zwierząt – co może wyjaśniać, dlaczego odkrycie trwało tak długo.
„Zakład wykorzystuje swoją własną strukturę do stworzenia tego sygnału rozwojowego” – powiedział Kelliher. „A wtedy każda komórka może stworzyć następną generację, o ile znajduje się we właściwym miejscu – nie trzeba być specjalnie wyznaczonym. To rodzaj romantycznego pomysłu”.
Dzieci kukurydzy badania
Uważna obserwacja całego procesu płodności roślin ma kluczowe znaczenie dla przemysłu nasion hybrydowych. Pola są zwykle obsadzane dwoma odmianami kukurydzy, które będą krzyżowane. Aby rośliny nie same się nawoziły – co skutkuje roślinami gorszej jakości – należy usunąć wszystkie frędzle jednego gatunku.
To ogromne zadanie, które wymaga specjalistycznych maszyn do usuwania wiechów, a następnie osób, które sprawdzają brakujące rośliny.
„Obecnie usuwają frędzle z 1 miliona akrów kukurydzy każdego roku, przy 20 000 roślin na akr”, powiedział Walbot. „To miliardy ręcznie usuwanych roślin”.
Opracowano sterylne odmiany kukurydzy, które nie wymagają usuwania wiechów, ale wersje samonapędzające się okazały się trudne do udoskonalenia. Metoda sterylizacji niskotlenowej może znacznie uprościć automatyczną hybrydyzację, umożliwiając jej zastosowanie w wielu odmianach.
„Zostawiamy te aplikacje przemysłowi” — powiedział Walbot. Ale efekty badań mogą być dalekosiężne. Zakładając, że odkrycia są prawdziwe dla wszystkich roślin kwitnących, co wiele grup badawczych stara się teraz potwierdzić, odkrycie to może otworzyć nowy poziom kontroli płodności dla ogromnej gamy upraw.
Uniwersytet Stanforda obecnie ubiega się o patent na niektóre z odkryć tego artykułu.
Zdjęcie:LA Cicero
