Кембриджські дослідники показали, що рослини можуть регулювати хімічний склад поверхні своїх пелюсток, створюючи райдужні сигнали, видимі для бджіл.
У той час як більшість квітів виробляють пігменти, які виглядають барвистими та діють як візуальна підказка для запилювачів, деякі квіти також створюють мікроскопічні тривимірні візерунки на поверхні своїх пелюсток. Ці паралельні смуги відбивають певну довжину хвилі світла, створюючи райдужний оптичний ефект, який не завжди видно людському оку, але видимий бджолам.
Існує велика конкуренція за увагу з боку запилювачів, і, враховуючи, що 35% світових культур залежать від тварин-запилювачів, розуміння того, як рослини створюють візерунки пелюсток, які подобаються запилювачам, може мати важливе значення для спрямування майбутніх досліджень і політики в сільському господарстві, біорізноманітності та збереженні.
Дослідження, очолювані командою професора Беверлі Гловера з Департаменту рослинництва Кембриджа, показали, що візерунки на пелюстках містять більше, ніж здається на перший погляд. Попередні результати показали, що механічне вигинання тонкого, захисного кутикула шар на поверхні молодих зростаючих пелюсток може спровокувати утворення мікроскопічних виступів.
Ці напіввпорядковані хребти діють як дифракційні решітки, які відбивають різні довжини хвилі світла, створюючи слабкий райдужний ефект синього ореолу в синьому УФ-спектрі, який бачать джмелі. Однак незрозуміло, чому ці смуги утворюються лише на певних квітах або навіть на певних частинах пелюсток.
Едвідж Мойруд, яка почала це дослідження в лабораторії професора Гловера і зараз очолює власну дослідницьку групу в лабораторії Сейнсбері, розробила місцевий гібіскус Австралії, венеціанську мальву (Hibiscus trionum), як новий модельний вид, щоб спробувати зрозуміти, як і коли ці наноструктури розвиваються.
«Наша початкова модель передбачала, що те, скільки клітин ростуть і скільки кутикули утворюють ці клітини, були ключовими факторами, що контролюють утворення смуг, — сказав доктор Мойруд, — але коли ми почали тестувати модель за допомогою експериментальна робота у венеціанській мальві ми з’ясували, що їх формування також сильно залежить від хімії кутикули, яка впливає на те, як кутикула реагує на сили, які спричиняють викривлення».
«Наступне питання, яке ми хочемо дослідити, полягає в тому, як різні хімічні речовини можуть змінити механічні властивості кутикули як матеріалу, що створює наноструктуру. Цілком можливо, що різні хімічні склади призводять до кутикули з різною архітектурою або різною жорсткістю і, отже, різними способами реагування на сили, які відчувають клітини, коли пелюстка росте».
Цей проект показав, що існує комбінація процесів, які працюють разом і дозволяють рослинам формувати свої поверхні. Доктор Мойруд додав: «Рослини — чудові хіміки, і ці результати показують, як вони можуть точно налаштовувати хімічний склад своєї кутикули, щоб створювати різні текстури своїх пелюсток. Шаблони, сформовані в мікроскопічному масштабі, можуть виконувати цілий ряд функцій, від зв’язку із запилювачами до захисту від травоїдних тварин або патогенів».
«Вони є яскравими прикладами еволюційної диверсифікації, і завдяки поєднанню експериментів і обчислювального моделювання ми починаємо трохи краще розуміти, як рослини можуть їх виготовляти».
Висновки будуть опубліковані в Current Biology.
«Ці висновки також корисні для біорізноманіття та консерваційні роботи оскільки вони допомагають пояснити, як рослини взаємодіють із навколишнім середовищем», — сказав професор Гловер, який також є директором ботанічного саду Кембриджського університету, у якому дослідники вперше помітили райдужні квіти венеціанської мальви.
«Наприклад, види, які тісно пов’язані, але ростуть у різних географічних регіонах, можуть мати дуже різні візерунки пелюсток. Розуміння того, чому малюнок пелюсток різний і як це може вплинути на відносини між рослинами та їх запилювачами, може допомогти краще обґрунтувати політику майбутнього управління екологічними системами та збереженням біорізноманіття».
Дослідження того, що керує 3D візерунком пелюсток
Дослідники дотримувалися поетапного підходу до розслідувань. Вони вперше спостерігали за розвитком пелюсток і помітили, що візерунки кутикули з’являються, коли клітини подовжуються, що свідчить про важливе зростання. Потім вони визначили, чи може вимірювання фізичних параметрів, пов’язаних із ростом, таких як розширення клітин і товщина кутикули, адекватно передбачити спостережувані закономірності, і виявили, що вони не можуть. Потім вони зробили крок назад, щоб спробувати визначити, чого не вистачає.
Властивості матеріалу, будь то неорганічного або виробленого живими клітинами, такими як кутикула, ймовірно залежатимуть від хімічної природи цього матеріалу. Маючи це на увазі, дослідники вирішили поглянути на хімічний склад кутикули та виявили, що це справді контрольний фактор. Для цього вони вперше застосували новий хімічний метод для аналізу складу кутикули в дуже конкретних точках пелюстки. Це показало, що пелюсткові області з контрастними текстурами (гладкі або смугасті) також відрізняються за хімічним складом їх поверхні.
Порівнюючи з гладкою кутикулою, вони виявили, що смугаста кутикула має високий рівень дигідроксипальмітинової кислоти та воску та низький рівень фенольних сполук. Щоб перевірити, чи хімічний склад кутикули дійсно важливий, вони потім запровадили трансгенний підхід до гібіскусу, щоб змінити хімічний склад кутикули безпосередньо в рослинах, використовуючи гени, подібні до тих, які, як відомо, контролюють виробництво молекул кутикули в іншій модельній рослині, Arabidopsis.
Це показало, що текстуру кутикули можна змінити без зміни росту клітин, просто змінивши склад кутикули. Як хімія кутикули може контролювати її тривимірне згортання? Дослідники вважають, що зміна кутикули хімія впливає на механічні властивості кутикули, оскільки навіть при розтягуванні за допомогою спеціального пристрою трансгенні пелюстки з гладкою кутикулою залишаються гладкими, на відміну від рослин дикого типу.