Tingkat Oksigen Rendah Memicu Pembentukan Sel-Sel Seks Tanaman

Menggunakan pendekatan sederhana, tim ilmuwan di Stanford University menunjukkan bahwa kadar oksigen rendah jauh di dalam bunga berkembang adalah semua yang diperlukan untuk memicu pembentukan sel-sel seks tanaman. Temuan ini dapat mengarah pada teknik pemuliaan tanaman baru.

Kehidupan seks jagung telah bandar bola mendapat banyak perhatian yang giat selama bertahun-tahun. Dengan 5.000 SM, para petani di Amerika telah menghasilkan varietas jagung hibrida pertama dengan tanaman penyerbukan silang untuk menghasilkan tanaman yang lebih besar atau biji berwarna.

Saat ini, produksi benih hibrida dalam jagung adalah industri bernilai miliaran dolar, dan kawin silang juga penting bagi produksi sebagian besar spesies lain. Namun, terlepas dari peran sentral reproduksi tanaman dalam agribisnis, para peneliti tidak pernah menjawab pertanyaan mendasar: Dari mana sel-sel seks tumbuh?

Jawabannya, menurut biologi Stanford, Profesor Virginia Walbot dan mahasiswa pascasarjana Timothy Kelliher, ternyata sangat sederhana. Dalam serangkaian eksperimen yang elegan – Walbot membanggakan dirinya pada “pemikiran percobaan yang dapat Anda lakukan dengan uang pada dasarnya” – para peneliti menunjukkan bahwa kadar oksigen rendah jauh di dalam bunga berkembang adalah semua yang diperlukan untuk memicu pembentukan sel-sel seks.

Penemuan ini bukan hanya kepentingan akademis.

“Mengontrol reproduksi tanaman cukup mendasar bagi pertanian modern,” kata Walbot.

Dalam industri jagung yang masih mengekang biji jagung dengan tangan sebagai cara mengendalikan siapa yang membuahi siapa, suatu teknik yang mengubah produksi sel seks secara aktif atau tidak aktif dapat memungkinkan untuk secara dramatis meningkatkan kendali atas persilangan tanaman.

Makalah penelitian muncul baru-baru ini di jurnal Science.

Ketika dua bunga sangat mencintai satu sama lain

Semua tanaman berbunga menghasilkan serbuk sari dalam struktur yang disebut kepala sari, yang pada jagung tumbuh dari kelompok bunga jantan yang kita kenal sebagai rumbai. Tapi sebelum anthers ini matang, mereka disusun dalam bentuk semanggi jauh di dalam tanaman. Sel-sel sentral dalam masing-masing lobus semanggi seperti ini akan berubah menjadi sel-sel seks dan, akhirnya, serbuk sari.

Mekanisme di balik perkembangan ini tidak diketahui pada tumbuhan. Pada hewan, sel di sekitarnya memberi sinyal garis kuman untuk mulai terbentuk dari “sel pendiri” tunggal. Walbot dan Kelliher condong ke arah pandangan ini, setelah mengidentifikasi dua molekul pemberi sinyal yang menjanjikan, MAC1 dan MSCA1. Tanaman yang kekurangan protein MAC1 mengembangkan terlalu banyak sel germinal. Tanaman yang tidak memiliki MSCA1 sama sekali tidak memilikinya.

Jelas, MAC1 penting untuk mengatur sel-sel non-seksual di sekitar sel-sel germinal, sementara MSCA1 diperlukan untuk sel-sel untuk berkembang menjadi sel-sel seks. Tetapi hubungan antara keduanya, dan apa yang awalnya mengarah pada ekspresi mereka, tetap tidak jelas.

Peran redoks

Meskipun sebagian besar peneliti berasumsi bahwa, seperti pada hewan, sel-sel seks berkembang dari satu set sel khusus dengan predileksi yang ditentukan sebelumnya untuk peran tersebut, Walbot dan Kelliher melihat dua petunjuk yang menyiratkan sebaliknya.

Pertama, susunan fisik sel-sel kelamin tidak mengarah pada keberadaan “pendiri” tunggal. Bahkan, itu menunjukkan skenario di mana “posisi Anda sebagai sel lebih penting daripada siapa orang tua Anda,” kata Kelliher.

Kedua, cara kerja enzim MSCA1 menunjukkan bahwa kadar oksigen mungkin memainkan peran dalam proses pensinyalan.

Lingkungan di dalam tanaman dapat berupa “oksidasi” – di mana oksigen berlimpah, dan oksidasi disukai – atau “mengurangi” – di mana oksidasi dicegah, biasanya oleh kurangnya oksigen reaktif, dan proses pengurangan yang berlawanan lebih disukai. MSCA1 terjadi untuk mengirim sinyal melalui pengurangan – yang berarti bahwa kadar oksigen yang berbeda mungkin memiliki efek perkembangan yang berbeda.

Untuk menguji teori, para peneliti memasukkan probe jauh ke dalam jaringan antera jagung yang belum dewasa. Apa yang mereka temukan memberi tahu: tingkat oksigen yang sangat rendah – kemungkinan efek samping dari aktivitas metabolisme kepala sari yang tumbuh dengan cepat – pada saat yang tepat sel-sel mulai berubah menjadi sel-sel seks.

Selang jagung

Untuk melihat apakah oksigen rendah saja yang bertanggung jawab untuk pengembangan sel seks, para peneliti memasukkan selang plastik ke dalam anter yang berkembang dan memipakan dalam campuran gas.

Konsentrasi oksigen yang tinggi secara drastis menurunkan jumlah sel seks. Konsentrasi gas nitrogen yang tinggi, yang inert dan menyediakan lingkungan yang mengurangi, meningkatkan pembentukan sel seks.

“Itu adalah eksperimen yang sangat mudah,” kata Walbot. “Kami memiliki hasil awal dalam dua hari.”

Para peneliti menunjukkan bahwa kadar oksigen yang rendah bahkan bisa menyebabkan sel-sel di luar lobus anther – yang biasanya tidak akan menghasilkan serbuk sari – untuk berkembang menjadi sel-sel seks.

Secara bersama-sama, Walbot menjelaskan, bukti menunjukkan bahwa variasi kadar oksigen yang terjadi secara alami di dalam antera yang tumbuh menyebabkan sel-sel sentral menjadi hipoksik lebih dulu: “Sel-sel yang paling hipoksik kemudian dapat melempar saklar.”

Setelah kadar oksigen turun di bawah ambang tertentu, MSCA1 akhirnya bisa bekerja dan mengurangi targetnya, menyebabkan sel-sel sentral menjadi sel-sel seks. Sel-sel ini kemudian melepaskan MAC1, yang pada gilirannya memastikan sel-sel di luar tidak menjadi germline.

Ini adalah pola diferensiasi luar-dalam, sama sekali tidak seperti apa yang dilakukan oleh germlines hewan – yang mungkin menjelaskan mengapa butuh waktu begitu lama untuk ditemukan.

“Pabrik memanfaatkan strukturnya sendiri untuk menciptakan sinyal perkembangan ini,” kata Kelliher. “Dan kemudian setiap sel dapat menciptakan generasi berikutnya selama itu di tempat yang tepat – Anda tidak harus secara khusus ditetapkan. Itu semacam ide romantis. ”

Anak-anak dari penelitian jagung

Menjaga ketat proses kesuburan tanaman ini sangat penting untuk industri benih hibrida. Bidang biasanya ditanam dengan dua varietas benih jagung yang akan disilangkan. Untuk menjaga tanaman dari pemupukan sendiri – yang menghasilkan tanaman berkualitas rendah – semua jumbai satu spesies perlu dihapus.

Ini adalah tugas besar yang membutuhkan mesin detasseling khusus, ditindaklanjuti oleh orang-orang yang memeriksa tanaman yang terlewatkan.

“Saat ini mereka menghapus jumbai pada 1 juta hektar jagung setiap tahun, pada 20.000 tanaman per acre,” kata Walbot. “Itu miliaran tanaman yang dirangkai dengan tangan.”

Varietas jagung steril telah dikembangkan yang tidak membutuhkan pembongkaran, tetapi versi yang mengabadikan diri telah terbukti sulit untuk disempurnakan. Metode sterilisasi rendah oksigen dapat membuat hibridisasi otomatis jauh lebih sederhana, memungkinkannya untuk diterapkan pada sejumlah besar varietas.

“Kami meninggalkan aplikasi itu ke industri,” kata Walbot. Tetapi efek dari penelitian ini bisa sangat luas. Dengan asumsi bahwa temuan ini berlaku untuk semua tanaman berbunga, sebagai sejumlah kelompok penelitian sekarang berusaha untuk mengkonfirmasi, penemuan itu dapat membuka tingkat baru kontrol kesuburan untuk sejumlah besar tanaman.