”Växter måste verkligen vara beredda på allt”

2018-05-14

2010 blev Annelie Carlsbecker bland de första i världen att publicera resultat som indikerade att mikroRNA, ett slags systermolekyl till DNA, spelar en roll i cellers kommunikation.

När det gäller tillväxt och flexibilitet överträffar växtriket oss människor med råge. Annelie Carlsbecker hittar ständigt nya tecken på växters intrikata samspel och anpassningsförmåga. – Det fascinerande är att växternas celler inte bara har förmågan att utväxla information, utan att de också vet vilken information de måste utbyta för att utvecklas korrekt. Och hur vet de det?

Ute på Campus Ultuna lyser Uppsala BioCentrums klargula entré välkomnande. Här huserar ett av de mindre forskningsprogrammen på Uppsala universitet: fysiologisk botanik. Avdelningen tillhör institutionen för organismbiologi vid Evolutionsbiologiskt centrum, EBC, men ingår även i Linnécentrum som är ett samarbete mellan Uppsala universitet och Sveriges Lantbruksuniversitet.

Annelie Carlsbecker möter upp i foajén och guidar till sitt kontor bland växtforskare på SLU.

–  Vårt forskningsprogram är ju litet, så det gynnar oss alldeles oerhört att vara här där det finns så mycket folk runtomkring med så stor kompetens. Här sitter forskare som bemästrar alla möjliga metoder, allt från genetik och olika sorters mikroskopi till avancerade molekylärbiologiska metoder och bioinformatik. Å andra sidan är det på EBC vi undervisar och har gemensamma seminarier med andra vid vår institution. Så båda campusområdena är naturliga hemvister för oss.

Forskargruppen studerar hur växters utveckling styrs på genetisk och molekylär nivå. Gruppen använder sig av modellväxten backtrav, Arabidopsis thaliana, ett litet ogräs som växer i större delen av norra hemisfären. Nästan alla växtforskare i världen utnyttjar den i sin forskning på grund av att växten befruktar sig själv, ger mycket frö och att forskarna kan gå från en generation till en annan på 6 till 8 veckor.

– Därför finns det mycket kunskap att bygga vidare på. Backtrav är lätt att använda eftersom den har ett begränsat antal celler. Växten är så anatomiskt enkelt organiserad att det är lätt att spåra och kartlägga avvikelser hos den, säger Annelie Carlsbecker.

Gruppens fokus ligger på ledningsvävnaden, där xylemet är den vävnad som transporterar vatten från roten till skottet, och det så kallade floemet transporterar det fotosyntesproducerade sockret ner genom växten till rötterna. För att få till ett kontinuerligt vattenflöde krävs att långa rader av xylemkärl utvecklas i ett regelbundet, funktionellt mönster. Frågan forskarna ställer sig är vad som styr utvecklingen av såväl mönster som olika cellers funktioner.

Arabidopsis thaliana, eller backtrav, odlas på en så kallad agarplatta. Dessa plantor är 4-5 dagar gamla.
Foto: Anneli Björkman

Där var Annelie Carlsbecker bland de första i världen att upptäcka att mikroRNA, ett slags systermolekyl till DNA, spelar en roll i cellers kommunikation. 2010 publicerade hon tillsammans med forskare i Finland och USA upptäckten i den vetenskapliga tidskriften Nature. Studien visade att mikroRNA kan röra sig från cellen de bildas i till andra celler, och även reglera hur dessa utvecklas.

– Vi såg att ett cellager i växtens rot skickar en signal till ett annat cellager, som i sin tur svarar. MikroRNA:t reglerar nivåerna av specifika mRNA, eller budbärar-RNA, och påverkar på så sätt nivåerna av proteiner, som bestämmer vilken typ av celler ledningsvävnaden ska bestå av, säger hon.

I forskargruppens laboratorium trängs oräkneliga groddplantor av Arabidopsis thaliana på små odlingsplattor. När växterna är runt fem dagar gamla är det dags att börja studera deras utveckling. Ett sätt är att behandla fröna med ett potent gift för att åstadkomma mutationer i generna. När Annelie Carlsbecker arbetade som post-dok vid Helsingfors universitet ”hos en helt fantastisk forskare, Ykä Helariutta”, fick hon och kollegorna fram en mycket speciell mutation.

– I en normal växt har en del xylemkärl spiralformade cellväggar. Andra kärl, framför allt de i mitten, har kraftigare cellväggar med små porer. Men vi fick fram en mutant som enbart bildade den andra typen av xylemceller. Vi upptäckte att det berodde på ett överskott av ett visst utvecklingsreglerande protein, då mutationen förhindrade att ett mikroRNA kände igen och bröt ned proteinets mRNA.

Samtidigt fann amerikanska forskarkollegor att en annan mutant uppvisade samma avvikande mönster. Det var sedan tidigare känt bland fysiologiska växtbotaniker att proteinet ifråga rör sig inifrån ledningsvävnaden och ut till det omgivande cellagret. Nu kunde forskarkollegorna visa att detta protein aktiverar cellagrets mikroRNA.

– Sammantaget satte dessa upptäckter oss på rätt spår och gjorde att vi 2010 kunde avslöja att det aktiverade mikroRNA:t rör sig in till ledningsvävnaden från det omkringliggande cellagret, säger Annelie Carlsbecker. MikroRNA:t justerar i förlängningen nivån av en speciell form av utvecklingsreglerande proteiner. Dessa proteiner bestämmer i sin tur vilken typ av xylemkärl det ska bli: tunnare med spiralformade cellväggar längre ut eller vidare med mer intakt cellvägg in mot mitten av roten.

Detta visar enligt Annelie Carlsbecker hur växtceller kommunicerar med varandra för att säkerställa en korrekt utveckling. Men det öppnar också för möjligheten att yttre faktorer kan påverka den här kommunikationen och därmed växtens utveckling.

– Man hade sett att till exempel poppelträd som har växt torrt har väldigt många fler och mindre kärl som transporterar vatten. Men i övrigt visste man väldigt lite om vad som händer med växtens ledningsvävnad under torka.

Hennes forskargrupp publicerade nyligen en studie över effekten av minskad vattentillgång på växtens rötter, och vilka molekylära mekanismer som är inblandade. Det visar sig att svaret på torkan inte uppstår inne i ledningsvävnaden. Istället är det de omgivande cellagren som reagerar genom att producera stresshormon och skicka signaler in till ledningsvävnaden.

– Under torka alstras ett stresshormon som aktiverar än mer av samma mikroRNA som vi studerat tidigare, säger Annelie Carlsbecker. Detta leder till än lägre nivåer av de proteiner som reglerar växtens xylemcellers utveckling. Rötterna bildar därför mer av de tunnare xylemcellerna med spiralformade cellväggar, liknande cellerna i veden hos träd som växer torrt.

Annelie Carlsbecker med doktoranderna Prashanth Ramachandran och Frauke Augstein.
Foto: Mikael Wallerstedt

En av hennes förhoppningar är att forskningen ska leda till information om växter på en sådan detaljnivå att kunskapen kan användas i förädlingshänseende. Med pågående klimatförändringar ökar behovet av växter med stor anpassningsförmåga till allt från torka till vattenöverflöd - eller ännu okända utmaningar.

Därför vänder sig Annelie Carlsbecker mot den polarisering hos stora delar av allmänhet och framförallt hos politiker som målar upp genetiskt modifierade växter som någonting farligt.

– Jag har väldigt svårt att se vari faran ligger. Vi har ju en extrem kontroll och vet precis vad vi gör. Justerar vi en nukleotid, en gen, och kanske slår ut den, så är det precis det vi har gjort och ingenting annat. Det här är så olyckligt för vi står inför att säkra bra föda till både oss själva och våra djur. Vi lever ju på våra växter, de gör både vår mat och vårt syre, så vi klarar oss inte utan dem.

Annars är hennes fokus just nu att vara handledare för sina två doktorander. Ett par post-doks är också på ingång. Därtill kommer undervisning på grund- och masternivå.

Vad har du för tips till studenter som är intresserade av ditt område?

– För att tycka att det är roligt och bli bra på ett visst område, så tror jag verkligen att man måste känna att det är spännande och välja inriktning efter det. Man har mycket vunnet på att våga undersöka saker, våga bli doktorand, våga fortsätta som post-dok. Det viktiga när man är student, är inte att få fram jättespännande resultat utan att själv tänka igenom och försöka utforma experiment på ett bra sätt.

 

Anneli Björkman

2018-05-07

 

 

FAKTA ANNELIE CARLSBECKER

Ålder: 45 år

Titel: Universitetslektor i fysiologisk botanik

Utbildning: Doktor i fysiologisk botanik 2002 vid Uppsala universitet. När jag började läsa på universitetet var jag osäker på om jag ville bli kemist, biolog, molekylärbiolog eller liknande, jag kallade mig själv ljusgrön, haha. Sen fick jag ju med molekylärbiologiska analysmetoder av olika slag i min utbildning. När jag disputerade på avdelningen för fysiologisk botanik hade jag vår nuvarande professor som handledare. Så man kan säga att jag har kommit tillbaka till rötterna!

Bor: I Stenhagen

Familj: Sambo, två barn snart 8 och 9 år, flatcoated retriever 1 år

Gör på fritiden: Pysslar vid stugan i skogen nära Östhammar

Minnesvärt ögonblick på jobbet: Det är ju en stor stund när ens första doktorand disputerar!

Om Uppsala: Som ganska nybliven hundägare märker jag att Uppsala, i alla fall i Stenhagentrakten, är toppen för en hund - vi upptäcker nya stigar tillsammans hela tiden.

Drömresa: Barnen och jag läser böckerna om Harry Potter – så nu vore det kul att åka till England tillsammans och kolla in Hogwartsexpressen.

 

Läs mer:

MikroRNA kan röra sig mellan celler

Mer om Annelie Carlsbeckers forskning i fysiologisk botanik vid Uppsala universitet och inom Linnécentrum