Изследователи от Кеймбридж показаха, че растенията могат да регулират химията на повърхността на своите венчелистчета, за да създадат ирисцентни сигнали, видими за пчелите.
Докато повечето цветя произвеждат пигменти, които изглеждат цветни и действат като визуален знак за опрашителите, някои цветя също създават микроскопични триизмерни шарки върху повърхността на венчелистчетата си. Тези успоредни ивици отразяват определени дължини на вълната на светлината, за да произведат преливащ оптичен ефект, който не винаги е видим за човешките очи, но е видим за пчелите.
Съществува голяма конкуренция за внимание от страна на опрашителите и — като се има предвид, че 35% от световните култури разчитат на животински опрашители — разбирането как растенията правят шарки на венчелистчетата, които харесват опрашителите, може да бъде важно за насочване на бъдещи изследвания и политики в селското стопанство, биоразнообразието и опазването.
Изследване, ръководено от екипа на професор Бевърли Глоувър от катедрата по растителни науки на Кеймбридж, разкри, че шарките на венчелистчетата са нещо повече, отколкото изглежда на пръв поглед. Предишни резултати показват, че механичното изкълчване на тънката, защитна кутикула слой върху повърхността на младите растящи венчелистчета може да предизвика образуването на микроскопични ръбове.
Тези полуподредени ръбове действат като дифракционни решетки, които отразяват различни дължини на вълната на светлината, за да създадат слаб ирисцентен ефект на син ореол в синия UV спектър, който земните пчели могат да видят. Въпреки това, защо тези ивици се образуват само в определени цветя или дори само в определени части на венчелистчетата, не беше разбрано.
Едуидж Мойруд, която започна това изследване в лабораторията на професор Глоувър и сега ръководи своя собствена изследователска група в лабораторията Sainsbury, разработи местния австралийски хибискус, венецианския слез (Hibiscus trionum), като нов моделен вид, за да се опита да разбере как и кога тези наноструктури се развиват.
„Нашият първоначален модел прогнозира, че колко клетки растат и колко кутикула правят тези клетки са ключови фактори, контролиращи образуването на ивици“, каза д-р Мойруд, „но когато започнахме да тестваме модела, използвайки експериментална работа във венецианския слез открихме, че тяхното образуване също е силно зависимо от химията на кутикулата, която влияе на това как кутикулата реагира на силите, които причиняват изкривяване.“
„Следващият въпрос, който искаме да проучим, е как различни химикали могат да променят механичните свойства на кутикулата като материал за изграждане на наноструктура. Възможно е различните химически състави да доведат до кутикула с различна архитектура или с различна твърдост и следователно различни начини за реагиране на силите, изпитвани от клетките, докато венчелистчето расте.
Този проект разкри, че има комбинация от процеси, които работят заедно и позволяват на растенията да оформят своите повърхности. Д-р Мойруд добави: „Растенията са страхотни химици и тези резултати илюстрират как те могат прецизно да настроят химията на своята кутикула, за да произведат различни текстури в своите венчелистчета. Моделите, формирани в микроскопичен мащаб, могат да изпълняват редица функции, от комуникация с опрашители до защита срещу тревопасни животни или патогени.
„Те са поразителни примери за еволюционна диверсификация и чрез комбиниране на експерименти и изчислително моделиране започваме да разбираме малко по-добре как растенията могат да ги произвеждат.“
Констатациите ще бъдат публикувани в Current Biology.
„Тези прозрения също са полезни за биоразнообразието и консервационна работа защото те помагат да се обясни как растенията взаимодействат с околната среда“, каза професор Глоувър, който е и директор на ботаническата градина на университета в Кеймбридж, в която изследователите за първи път забелязаха преливащи цветове на венецианския слез.
„Например, видове, които са тясно свързани, но които растат в различни географски региони, могат да имат много различни шарки на венчелистчетата. Разбирането защо шарките на венчелистчетата варират и как това може да повлияе на връзката между растенията и техните опрашители може да помогне за по-добра информираност на политиките в бъдещото управление на екологичните системи и опазването на биоразнообразието.
Проучване на това какво движи 3D шарките на венчелистчетата
Изследователите предприеха поетапен подход към разследванията. Те първо наблюдават развитието на венчелистчетата и забелязват, че моделите на кутикулите се появяват, когато клетките се удължават, което предполага, че растежът е важен. След това те определиха дали измерването на физически параметри, свързани с растежа, като разширяване на клетките и дебелина на кутикулата, може адекватно да предскаже наблюдаваните модели и откри, че не може. След това направиха крачка назад, за да се опитат да идентифицират какво липсва.
Свойствата на даден материал, независимо дали е неорганичен или произведен от живи клетки като кутикулата, вероятно ще зависят от химическата природа на този материал. Имайки това предвид, изследователите решават да разгледат химията на кутикулата и откриват, че това наистина е контролиращ фактор. За да направят това, те първо използваха нов метод от областта на химията, за да анализират състава на кутикулата в много специфични точки по венчелистчето. Това показа, че областите на венчелистчетата с контрастиращи текстури (гладка или набраздена) също се различават по химията на тяхната повърхност.
Сравнявайки с гладката кутикула, те откриха, че набраздената кутикула има високи нива на дихидрокси-палмитинова киселина и восъци и ниски нива на фенолни съединения. За да проверят дали химията на кутикулите наистина е важна, те въведоха трансгенен подход при Hibiscus, за да променят химията на кутикулите директно в растенията, използвайки гени, подобни на тези, за които е известно, че контролират производството на молекули на кутикулите в различен модел растение, Arabidopsis.
Това показа, че текстурата на кутикулата може да бъде модифицирана, без да се променя растежа на клетките, просто чрез модифициране на състава на кутикулата. Как химията на кожичките може да контролира нейното 3D сгъване? Изследователите смятат, че промяна в кутикулата химия влияе върху механичните свойства на кутикулата, тъй като дори когато са разтегнати с помощта на специално устройство, трансгенните венчелистчета с гладка кутикула остават гладки, за разлика от тези от растения от див тип.