Doktorand Tim Kelliher och professor Virginia Walbot undersöker majs tofsar i fält på Stanford campus. Foto:L.A. Cicero
Med ett enkelt tillvägagångssätt visade ett team av forskare vid Stanford University att låga syrenivåer djupt inne i de växande blommorna är allt som behövs för att utlösa bildandet av växternas könsceller. Fynden kan leda till nya växtförädlingstekniker.
Majss sexliv har fått mycket uppmärksamhet genom åren. Vid 5 000 f.Kr., producerade jordbrukare i Amerika redan de första hybridmajssorterna genom att korspollinera växter för att generera större växter eller färgade kärnor.
Idag är hybridfröproduktion i majs en mångmiljardindustri, och korsning är grundläggande för produktionen av de flesta andra arter också. Men trots växtreproduktionens centrala roll i jordbruksnäringen har forskare aldrig svarat på en grundläggande fråga:Var kommer växternas könsceller ifrån?
Svaret, enligt Stanfords biologiprofessor Virginia Walbot och doktorand Timothy Kelliher, är förvånansvärt enkelt. I en uppsättning eleganta experiment – Walbot är stolt över att "tänka på experiment du kan göra med i princip inga pengar" – visade forskarna att låga syrenivåer djupt inne i blommorna under utveckling är allt som behövs för att utlösa bildandet av könsceller.
Upptäckten är inte bara av akademiskt intresse.
"Att kontrollera växternas reproduktion är ganska grundläggande för modernt jordbruk," sade Walbot.
I en majsindustri som fortfarande tar bort majsfrö för hand som ett sätt att kontrollera vem som befruktar vem, kan en teknik som slår på eller av könscellproduktionen möjliggöra dramatiskt ökad kontroll över växtkorsning.
Forskningsartikeln publicerades nyligen i tidskriften Science.
När två blommor älskar varandra väldigt mycket
Alla blommande växter producerar pollen i strukturer som kallas ståndarknappar, som i majs växer från det distinkta kluster av hanblommor som vi känner som tofsen. Men innan dessa ståndarknappar mognar arrangeras de i en klöverform djupt inne i växten. De centrala cellerna i var och en av dessa klöverliknande lober kommer att förvandlas till könsceller och så småningom pollen.
Mekanismen bakom denna utveckling var okänd hos växter. Hos djur signalerar omgivande celler att könslinjen börjar bildas från en enda "grundarcell". Walbot och Kelliher lutade sig mot denna syn, efter att ha identifierat två lovande signalmolekyler, MAC1 och MSCA1. Växter som saknade proteinet MAC1 utvecklade för många könsceller. Växter som saknade MSCA1 hade ingen alls.
Det är klart att MAC1 var viktigt för att organisera de icke-sexuella cellerna runt könsceller, medan MSCA1 var nödvändigt för att celler skulle utvecklas till könsceller. Men sambandet mellan de två, och vad som initialt ledde till deras uttryck, förblev oklart.
En roll för redox
Även om de flesta forskare antog att könsceller, precis som hos djur, utvecklades från en speciell uppsättning celler med en förutbestämd förkärlek för rollen, såg Walbot och Kelliher två ledtrådar som antydde något annat.
För det första, det fysiska arrangemanget av könscellerna pekade inte på att det fanns en enda "grundare". Faktum är att det föreslog ett scenario där "din position som cell betydde mer än vilka dina föräldrar var", sa Kelliher.
För det andra antydde hur MSCA1-enzymet fungerade att syrenivåer kan spela en roll i signaleringsprocessen.
Miljön inuti en växt kan antingen vara "oxiderande" - där syre finns i överflöd och oxidation gynnas - eller "reducerande" - där oxidation förhindras, vanligtvis av brist på reaktivt syre, och den motsatta reduktionsprocessen gynnas. MSCA1 råkade skicka sin signal genom reduktion – vilket betyder att olika syrenivåer kan ha olika utvecklingseffekter.
För att testa teorin förde forskarna in en sond djupt in i majs omogna ståndarknappsvävnad. Vad de fann var talande:ovanligt låga syrenivåer – troligen en bieffekt av de snabbt växande ståndarknapparnas metaboliska aktivitet – vid den exakta tidpunkten då celler började förvandlas till könsceller.
Majsslang
För att se om låg syrehalt enbart var ansvarig för utvecklingen av könsceller, trädde forskarna in en plastslang i den framkallande ståndaren och ledde in blandningar av gaser.
Höga koncentrationer av syre minskade drastiskt antalet könsceller. Höga koncentrationer av kvävgas, som är inert och ger en reducerande miljö, ökad könscellsbildning.
"Det var ett anmärkningsvärt enkelt experiment," sa Walbot. "Vi hade de första resultaten på två dagar."
Forskarna visade att låga syrehalter till och med kan få celler utanför ståndarloberna – som normalt sett aldrig skulle producera pollen – att utvecklas till könsceller.
Sammantaget, förklarade Walbot, tyder bevisen på att naturligt förekommande variationer i syrenivåer inuti den växande ståndarkraften gör att de centrala cellerna först blir hypoxiska:"De celler som är mest hypoxiska får sedan kasta omkopplaren."
När syrenivåerna sjunker under ett visst tröskelvärde kan MSCA1 äntligen gå till jobbet och minska sitt mål, vilket gör att centrala celler blir könsceller. Dessa celler släpper sedan MAC1, vilket i sin tur säkerställer att de yttre cellerna inte blir könsceller.
Det är ett differentieringsmönster inifrån och ut, helt olik vad djurs könsceller gör – vilket kan förklara varför det tog så lång tid att upptäckas.
"Växten drar fördel av sin egen struktur för att skapa denna utvecklingssignal," sa Kelliher. "Och då kan vilken cell som helst skapa nästa generation så länge den är på rätt plats – du behöver inte vara speciellt utsedd. Det är en slags romantisk idé.”
Barn av majsforskningen
Att hålla en noggrann uppsikt över hela denna växtfertilitetsprocess är avgörande för hybridfröindustrin. Åker planteras vanligtvis med två sorter av frömajs som ska korsas. För att förhindra att växter gödslar sig själva – vilket resulterar i växter av sämre kvalitet – måste alla tofsar från en art tas bort.
Detta är en enorm uppgift som kräver specialiserade demonteringsmaskiner, som följs upp av människor som letar efter växter som har missats.
"För närvarande tar de bort tofsarna på 1 miljon tunnland majs varje år, med 20 000 plantor per tunnland," sa Walbot. "Det är miljarder handavvecklade växter."
Sterila majssorter har utvecklats som inte kräver deassing, men självförevigande versioner har visat sig vara svåra att perfekta. En steriliseringsmetod med låg syrehalt skulle kunna göra automatiserad hybridisering mycket enklare, vilket gör att den kan tillämpas på ett stort antal sorter.
"Vi överlåter dessa applikationer till industrin," sade Walbot. Men effekterna av forskningen kan bli omfattande. Om man antar att fynden stämmer för alla blommande växter, vilket ett antal forskargrupper nu försöker bekräfta, kan upptäckten öppna upp en ny nivå av fertilitetskontroll för ett stort antal grödor.
Stanford University söker för närvarande patent på några av tidningens resultat.
Bild:L.A. Cicero
