När Fu-Shuang Li, en biokemist och forskare vid Whitehead Institute i Cambridge, Massachusetts, behövde lite pollen för sin forskning, han visste precis vart han skulle gå. Varje vår släpper tallarna som ringlar Walden Pond i Concord ut moln av gyllene pollen som täcker vattnet och samlas i galaktiska virvlar mot stranden. Henry David Thoreau, som tillbringade två år vid dammen på 1840-talet, avslutar sin berömda berättelse om upplevelsen med att beskriva så mycket pollen, "du kunde ha samlat en tunna."
Hukande vid dammkanten i en svart luvtröja och träningsbyxor, doppade Li i ett provrör och drog fram några hundra milliliter vatten, laddat med pollen och vad som helst som växte i det. Det var långt ifrån en tunna av grejerna, men det var mer än tillräckligt för Lis ansträngningar att studera den molekylära strukturen hos pollens yttre skal. Kallas sporopollenin, materialet som utgör skalet är så segt att det ibland har kallats växtvärldens diamant.
I mer än ett sekel har forskare försökt förstå den kemiska grunden för sporopollenins oöverträffade styrka. Sporopollenin skyddar DNA i pollen och sporer från ljus, värme, kyla och uttorkning. Utan den skulle växter inte kunna leva på land. Men sporopollenins seghet gjorde det svårt att studera, till och med årtionden efter att cellulosa, lignin och andra grundläggande växtpolymerer hade förbryllat molekylstrukturerna. "Naturen utvecklade sporopollenin för att motstå alla attacker," sa Li. "Inklusive av forskare."
På senare tid kan dock sporopollenins försvar ha övervunnits. 2018, Li och andra forskare vid Whitehead, ledda av växtbiologen Jing-Ke Weng, publicerade den första fullständiga strukturen av sporopollenin. Efterföljande arbete av teamet, en del av det ännu inte publicerat, har fyllt i mer detaljer om hur olika grupper av anläggningar finjusterat den strukturen för att bättre möta deras behov. Deras föreslagna struktur och den förbättrade synen på sporopollenin det erbjuder är inte utan kontroverser, men det har klargjort molekylens väsentliga roll i att hjälpa växter att erövra landet.
Den inerta gåtan
Alla fröväxter gör pollen; andra landväxter, såsom mossa, producerar sporer. Genom att bära hälften av den genetiska information som växterna behöver för att föröka sig, rör sig pollen och sporer genom miljön på vinden eller på ett hjälpsamt djur, för att nå en annan växt av sin art och befrukta dess äggcell. Men längs vägen måste pollen och sporer brottas med faror som sträcker sig från uttorkning till solens ultravioletta strålar till hungriga insekter. Sedan växter först hittade köp på land för cirka 470 miljoner år sedan, har det varit mycket viktigt att hålla den genetiska informationen inom pollen och sporer säker under deras resa till befruktning.
Den huvudsakliga strategin som växter använder för att skydda detta DNA är att innesluta det i ett specialiserat skal av sporopollenin, som är ogenomträngligt för elementen och bland de tuffaste materialen som produceras av någon levande varelse. Den har hittats intakt i en halv miljard år gamla stenar. A 2016 papper fann att på grund av sporopollenins robusthet bibehöll sporer sin stabilitet i diamantstäd vid tryck på 10 gigapascal, eller 725 ton per kvadrattum.
Forskare har känt till och undrat över sporopollenin sedan åtminstone 1814. De observerade att även efter att resten av ett pollenkorn eller spor lösts bort kemiskt, fanns alltid ett konstigt ämne kvar. Under större delen av nästa århundrade arbetade de som studerade det i sporer och pollen separat, och refererade till det uteslutande som antingen sporonin eller pollenin. Det kallades sporopollenin 1931 för att blidka båda samhällena.
Under decennier därefter slutade kunskapen om molekylen till stor del med namnet. Forskare insåg att sporopollenin kunde vara nyckeln till att förstå hur växter erövrade nästan alla livsmiljöer på jorden, och de drömde om att använda materialet för allt från beläggning av fartygsskrov till att skydda ömtåliga proteiner i orala vacciner. Men att få strukturen och den kemiska sammansättningen av sporopollenin var en förutsättning för ytterligare arbete, och sporopollenin frustrerade varje ansträngning.
Kemister bestämmer vanligtvis strukturen hos en komplex molekyl genom att bryta ner den i dess beståndsdelar, hitta strukturen på dem och sedan sätta ihop dem igen. Men sporopollenin var för inert för att de vanliga kemiska medlen skulle smälta det. Med början på 1960-talet gjorde nya biokemiska metoder och masspektrometri vissa framsteg när det gäller strukturen och den kemiska sammansättningen, och biologer drog senare till och med slutledning av vissa detaljer från kunskap om gener och enzymatiska processer som syntetiserar sporopollenin.
Ingen av dessa metoder kunde dock ge en fullständig bild av molekylen. Sporopollenin verkade ha två parallella ryggrader gjorda av molekyler som kallas polyketider, inte olikt sockerryggraden i den dubbla helixen av DNA. Dessa ryggrader verkade vara förbundna med en väv av länkar av olika typer. Men denna skiss var ofullständig, och några av fynden från de biokemiska och genetiska metoderna stod i konflikt med varandra.
"Det enda som alla var överens om var den empiriska formeln för sammansättningen av kol, väte, syre," sa Joseph Banoub, professor i kemi och biokemi vid Memorial University of Newfoundland i Kanada.
Pitch Pine Perfekt
Li började arbeta på sporopollenin strax efter att han började på Wengs labb vid Whitehead Institute som postdoc 2014. I stadsdelen Cambridge vid Kendall Square, där biomedicinsk forskning är den primära besattheten, är labbet en av få platser där människor studerar växter, med forskningsfokus på galaxen av botaniska molekyler som förblir okarakteriserade.
Sporopollenin var en oemotståndlig utmaning för Li. Dess funktion var välkänd, och generna för att göra den fanns i varje frö- och sporproducerande växt, vilket antydde att sporopollenin var en grundläggande anpassning som gjorde det möjligt för växter att leva på land redan i början av deras flykt från haven. (Vissa arter av alger gör också ett sporopolleninliknande ämne, vilket tyder på att landväxter anpassade biosyntesen av den molekylen under sin utveckling.) Ändå förblev kemin bakom den förmågan suddig.
Det skulle ha varit poetiskt om Lis tidiga arbete med sporopollenin hade använt pollen som samlats in från vattnet i Walden Pond. Men bekvämlighet trumfade romantik: Pollenet som hans team först studerade beställdes från Amazon. (Pollen från pitch pine, som producerar rikligt, säljs i stor utsträckning som hälsotillskott.) Resten kom från Cape Cod.
I månader körde Li och hans medarbetare trial-and-error-tester på föreningar som kan bryta ned andra tuffa biopolymerer. Så småningom utvecklade de en ny flerstegsprocess som kunde ta prover av pollen, slå dem i en kulfräsmaskin och kemiskt spräcka de inneslutna sporopolleninmolekylerna. Hälften av varje molekyl bröts ner i sex distinkta bitar som sedan kunde karakteriseras med masspektrometri.
Den andra halvan av molekylen, som de kallade R-gruppen (för "motsträvig"), bröts bara ner när den blandades med ett annat lösningsmedel. De kunde få en partiell bild av R på det här sättet, men processen försämrade andra egenskaper hos molekylen, så Lis grupp tog till en mer exotisk teknologi, solid-state kärnmagnetisk resonansspektroskopi, för att karakterisera den.
Blommor gjorde skillnad
Frukten av det arbetet, ett papper som publicerades i Naturväxter i december 2018 föreslog den mest kompletta molekylära strukturen för sporopollenin hittills.
I samtalet använde Li sina händer för att beskriva strukturens intrikata form. Med tummen och pekfingret visade han hur aromatiska molekyler hänger från ryggraden i omväxlande L-former. Han demonstrerade hur ryggraden är bunden med tvärbindningarna genom att rikta den ena tillplattade handen in i den andra i en vinkel, som om han ägnade sig åt någon konstig form av bön. Dessa grundläggande enheter länkar samman för att bilda det kompletta exinskalet, som antar radikalt olika former i olika växter, även om de grundläggande molekylära subenheterna är fundamentalt lika.
Strukturen gav trovärdighet åt idén att sporopollenins härdighet uppstår från de olika, flätade kopplingarna mellan ryggraden. Dessa ester- och eterbindningar är resistenta mot basiska respektive sura betingelser; tillsammans gör de motstånd mot båda. Strukturen som Lis grupp föreslog inkluderade också flera aromatiska molekyler som är kända för att vara resistenta mot ultraviolett ljus, vilket förklarade sporopollenins förmåga att skydda DNA från elementen.
"Utan dessa metaboliska innovationer skulle växter inte ha kunnat migrera från vatten till land i första hand", skrev Weng i ett mejl till Quanta.
Nyligen använde Li och hans kollegor sin metod för att karakterisera sporopollenin från mer än 100 olika landväxtarter insamlade från botaniska trädgårdar runt nordöstra USA. Enligt Li, som förbereder sig på att lämna in resultaten av studien för publicering, varierar strukturen av sporopollenin mellan växttyper i ett märkligt mönster.
De fann att gymnospermer, landväxtgruppen som inkluderar cykader och barrträd som beck tall, och de så kallade lägre landväxterna som mossor och ormbunkar tenderar att ha långa liknande sporopolleniner. Detta är vettigt eftersom dessa växter sprider sitt pollen villigt i vinden; de behöver långkedjigt sporopollenin för att skydda det.
Men bland angiospermer, eller blommande växter, är situationen mer komplex. Deras blommor skuggar sitt pollen från sol och uttorkning, och insekter flyttar effektivt pollen från blomma till blomma, vilket minimerar exponeringen för andra risker. Följaktligen behöver angiospermer inte sitt sporopollenin för att vara så jämnt robust.
Och att göra långkedjigt sporopollenin är en energikrävande process, sa Li, så "när blommor utvecklades ville de inte producera tallliknande sporopollenin längre." Enligt Li och Weng verkar signifikanta skillnader ha utvecklats mellan sporopolleninerna som produceras av de två huvudkategorierna av angiospermer, enhjärtbladiga och tvåhjärtbladiga, som divergerar i strukturerna hos deras embryon, kärl, stjälkar, rötter och blommor.
Naturligtvis är skillnaderna inte absoluta. Vissa blommande växter producerar sporopollenin med en tallliknande struktur, sa Li. "Om vi hade haft ytterligare 6 miljoner år kanske de förlorar funktionen av dem," eller kanske finns det andra ekologiska kontroller och balanser som bevarar den sporopolleninstrukturen för vissa grupper av växter.
"Evolution är inte en linje," sa Li. "Som valarna. Vid ett tillfälle bodde de på land; nu bor de i havet." Ändå har valar fortfarande vissa landdjursegenskaper. Kanske har vissa blompollen kvar föråldrade spår av sin egen historia.
Den mystiska polymeren
Andra växtforskare är överens om att Li och Wengs strukturella arbete med sporopollenin har förbättrat vår kunskap om molekylen. Men alla är inte övertygade om att deras förslag är korrekt eller att det avslutar det sekellånga sökandet efter strukturen hos sporopollenin.
"Det var mycket tydligare än tidigare," sa Zhong-Nan Yang, en biolog som studerar sporopollenin vid Shanghai Normal University. "Men det måste verifieras." Han sa att Li och hans kollegor fortfarande måste identifiera generna som är ansvariga för de enzymer som behövs för att göra vissa egenskaper hos tallsporopollenin.
A 2020 studie som syftade till att "avmystifiera och nysta upp" sporopollenins molekylära struktur utgjorde en mer direkt utmaning. Genom att använda en mängd metoder och arbeta på sporopollenin från klubbmossa snarare än tall, kom Banoubs grupp vid Memorial University fram till en struktur som på flera viktiga sätt skilde sig från den som Li och Weng föreslagit. Viktigast av allt, sa Banoub, "Vi har bevisat att det inte finns några aromatiska föreningar i sporopolleninet." Skillnaden tror han kan förklaras av skillnader mellan sporopollenin i tall och klubbmossa.
"Min personliga uppfattning är att de inte är korrekta", sa Li, men han föredrar att inte kommentera ytterligare förrän några relevanta resultat från hans labb är redo för publicering.
"Det är fortfarande ganska mystisk polymer", kommenterade Teagen Quilichini, en växtbiolog vid Kanadas nationella forskningsråd som har studerade sporopollenin, i ett mejl. "Trots vad vissa rapporter antyder."
Tufft men fortfarande ätbart?
Trots kontroverserna om deras struktur för sporopollenin, har Li och andra i Weng-labbet gått vidare till en annan evolutionär fråga: Har naturen kommit på hur man tar isär detta nästan oförstörbara material som den satt ihop?
När han vandrade runt Walden Pond på jakt efter andra pollenbelagda vikar, jämförde Li sporopollenin med lignin, växtpolymeren som stärker trä och bark. Efter att vedartade växter först utvecklades för cirka 360 miljoner år sedan, visar de geologiska uppgifterna ett överflöd av fossiliserat lignin i skikt under tiotals miljoner år. Sedan försvinner plötsligt ligninet för cirka 300 miljoner år sedan. Dess försvinnande markerar ögonblicket när en svamp som kallas vitröta utvecklade enzymer som kan bryta ner lignin och åt mycket av det innan det kunde fossiliseras.
Sporopollenin, resonerade Li, måste också ha en svamp eller annan mikrob som kan bryta ner den. Annars skulle vi drunkna i grejerna. Lis bak-av-kuvert-beräkningar är att 100 miljoner ton sporopollenin produceras i skogarna varje år. Det tar inte ens hänsyn till sporopolleninet som produceras av gräs. Om ingenting äter det, vart tar det vägen?
Det är därför, som en källa för sitt senaste prov av pollen, valde Li att avstå från Amazon Prime till förmån för en dag på Walden Pond. Observationer från hans team tyder på att vissa mikroorganismer som odlas i petriskålar kan överleva när de endast matas med sporopollenin och kväve. Prover från Walden, som naturligt är fulla av mikrobiella samhällen i sjön, borde hjälpa Li att avgöra om populationer av svampar och andra mikrober i det vilda kan låsa upp näringsämnena i sporopollenins till synes okrossbara molekyler.
När vi småätade tång och granolabarer vid dammkanten var det lätt att se hela situationen ur svamparnas perspektiv. Naturen hatar att slösa bort en måltid - även en som är så svår att tugga.
