Naukowcy z Cambridge wykazali, że rośliny mogą regulować chemię powierzchni swoich płatków, tworząc opalizujące sygnały widoczne dla pszczół.
Podczas gdy większość kwiatów wytwarza pigmenty, które wydają się kolorowe i działają jako wizualna wskazówka dla zapylaczy, niektóre kwiaty tworzą również mikroskopijne trójwymiarowe wzory na powierzchni płatków. Te równoległe prążkowania odbijają określone długości fal światła, tworząc opalizujący efekt optyczny, który nie zawsze jest widoczny dla ludzkich oczu, ale widoczny dla pszczół.
Istnieje duża konkurencja o uwagę ze strony zapylaczy, a biorąc pod uwagę, że 35% światowych upraw opiera się na zapylaczach zwierzęcych, zrozumienie, w jaki sposób rośliny tworzą wzory płatków, które podobają się zapylaczom, może mieć znaczenie dla kierowania przyszłymi badaniami i polityką w rolnictwie, różnorodności biologicznej i ochronie przyrody.
Badania prowadzone przez zespół profesor Beverley Glover z Wydziału Nauk o Roślinach Cambridge ujawniły, że wzór płatków to coś więcej niż na pierwszy rzut oka. Poprzednie wyniki wskazywały, że mechaniczne wyboczenie jest cienkie, ochronne skórka warstwa na powierzchni młodych rosnących płatków może wywołać tworzenie się mikroskopijnych grzbietów.
Te częściowo uporządkowane grzbiety działają jak siatki dyfrakcyjne, które odbijają różne długości fal światła, tworząc słaby opalizujący efekt niebieskiego halo w widmie niebieskiego UV, które widzą trzmiele. Nie zrozumiano jednak, dlaczego prążki te tworzą się tylko na niektórych kwiatach lub tylko na niektórych częściach płatków.
Edwige Moyroud, która rozpoczęła te badania w laboratorium prof. rozwijają się te nanostruktury.
„Nasz początkowy model przewidywał, że to, ile komórek rośnie i ile tworzą naskórek, było kluczowymi czynnikami kontrolującymi powstawanie prążków” – powiedział dr Moyroud – „ale kiedy zaczęliśmy testować model za pomocą prace eksperymentalne w malwie weneckiej odkryliśmy, że ich powstawanie jest również w dużym stopniu zależne od chemii naskórka, która wpływa na to, jak naskórek reaguje na siły powodujące wyboczenie”.
„Kolejnym pytaniem, które chcemy zbadać, jest to, w jaki sposób różne chemie mogą zmienić właściwości mechaniczne naskórka jako materiału budulcowego nanostruktury. Może się zdarzyć, że różne składy chemiczne skutkują naskórkiem o różnej architekturze lub różnej sztywności, a tym samym różnymi sposobami reagowania na siły doświadczane przez komórki podczas wzrostu płatka.
Projekt ten ujawnił, że istnieje połączenie procesów współpracujących ze sobą i umożliwiających roślinom kształtowanie powierzchni. Dr Moyroud dodał: „Rośliny są wspaniałymi chemikami, a te wyniki ilustrują, w jaki sposób mogą precyzyjnie dostroić chemię ich naskórka, aby wytworzyć różne tekstury na płatkach. Wzory utworzone w skali mikroskopowej mogą pełnić szereg funkcji, od komunikacji z zapylaczami po obronę przed roślinożercami lub patogenami”.
„Są uderzającymi przykładami zróżnicowania ewolucyjnego, a dzięki połączeniu eksperymentów i modelowania komputerowego zaczynamy trochę lepiej rozumieć, w jaki sposób rośliny mogą je wytwarzać”.
Wyniki zostaną opublikowane w Current Biology.
„Te spostrzeżenia są również przydatne dla różnorodności biologicznej i prace konserwatorskie ponieważ pomagają wyjaśnić, w jaki sposób rośliny wchodzą w interakcje ze środowiskiem” – powiedział profesor Glover, który jest także dyrektorem Ogrodu Botanicznego Uniwersytetu Cambridge, w którym naukowcy po raz pierwszy zauważyli opalizujące kwiaty malwy weneckiej.
„Na przykład blisko spokrewnione gatunki, które rosną w różnych regionach geograficznych, mogą mieć bardzo różne wzory płatków. Zrozumienie, dlaczego tupot płatków jest różny i jak może to wpływać na relacje między roślinami a ich zapylaczami, może pomóc w lepszym informowaniu polityk dotyczących przyszłego zarządzania systemami środowiskowymi i ochrony różnorodności biologicznej”.
Badanie, co napędza trójwymiarowe wzory płatków
Naukowcy przyjęli stopniowe podejście do badań. Najpierw zaobserwowali rozwój płatków i zauważyli, że wzory skórek pojawiają się, gdy komórki się wydłużają, co sugeruje, że wzrost był ważny. Następnie ustalili, czy pomiar parametrów fizycznych związanych ze wzrostem, takich jak ekspansja komórek i grubość naskórka, może odpowiednio przewidzieć obserwowane wzorce, i stwierdzili, że nie. Następnie zrobili krok do tyłu, aby spróbować zidentyfikować, czego brakowało.
Właściwości materiału, czy to nieorganicznego, czy wytwarzanego przez żywe komórki, takie jak naskórek, prawdopodobnie zależą od chemicznego charakteru tego materiału. Mając to na uwadze, naukowcy postanowili przyjrzeć się chemii naskórka i odkryli, że rzeczywiście jest to czynnik kontrolujący. Aby to zrobić, najpierw wykorzystali nową metodę z dziedziny chemii do analizy składu naskórka w bardzo określonych punktach na płatku. To pokazało, że obszary płatków o kontrastujących teksturach (gładkich lub prążkowanych) różnią się również składem chemicznym ich powierzchni.
W porównaniu z gładkim naskórkiem odkryli, że prążkowany naskórek ma wysoki poziom kwasu dihydroksy-palmitynowego i wosków oraz niski poziom związków fenolowych. Aby sprawdzić, czy chemia kutykuli jest rzeczywiście ważna, opracowali pionierskie podejście transgeniczne w Hibiscus, aby zmienić chemię kutikul bezpośrednio w roślinach, używając genów podobnych do tych, o których wiadomo, że kontrolują produkcję cząsteczek kutikul w innej roślinie modelowej, Arabidopsis.
To pokazało, że teksturę naskórka można modyfikować bez zmiany wzrostu komórek, po prostu modyfikując skład naskórka. W jaki sposób chemia naskórka może kontrolować jego fałdowanie 3D? Naukowcy uważają, że zmiana w naskórku chemia wpływa na właściwości mechaniczne łuski, ponieważ nawet przy rozciąganiu za pomocą specjalnego urządzenia transgeniczne płatki z gładką łuską pozostają gładkie, w przeciwieństwie do roślin typu dzikiego.