Cambridge-forskere har vist at planter kan regulere kjemien til kronbladoverflaten deres for å lage iriserende signaler som er synlige for bier.
Mens de fleste blomster produserer pigmenter som virker fargerike og fungerer som et visuelt signal til pollinatorer, skaper noen blomster også mikroskopiske tredimensjonale mønstre på kronbladoverflaten. Disse parallelle stripene reflekterer spesielle bølgelengder av lys for å produsere en iriserende optisk effekt som ikke alltid er synlig for menneskelige øyne, men likevel synlig for bier.
Det er stor konkurranse om oppmerksomhet fra pollinatorer og – gitt at 35 % av verdens avlinger er avhengige av dyrepollinatorer – å forstå hvordan planter lager kronbladmønstre som gleder pollinatorer kan være viktig for å styre fremtidig forskning og politikk innen landbruk, biologisk mangfold og bevaring.
Forskning ledet av professor Beverley Glovers team ved Cambridges avdeling for plantevitenskap avslørte at det er mer med kronbladsmønster enn man ser. Tidligere resultater indikerte at mekanisk knekking av den tynne, beskyttende neglebånd lag på overflaten av de unge voksende kronbladene kan utløse dannelsen av mikroskopiske rygger.
Disse semi-ordnede ryggene fungerer som diffraksjonsgitter som reflekterer forskjellige bølgelengder av lys for å skape en svak iriserende blå-halo-effekt i blå-UV-spekteret som humler kan se. Men hvorfor disse stripene bare dannes i visse blomster eller til og med bare på visse deler av kronbladene, ble ikke forstått.
Edwige Moyroud, som startet denne forskningen i professor Glovers laboratorium og nå leder sin egen forskningsgruppe ved Sainsbury Laboratory, har utviklet den australske innfødte hibiscusen, Venezia-malva (Hibiscus trionum), som en ny modellart for å prøve å forstå hvordan og når disse nanostrukturene utvikles.
"Vår første modell forutså at hvor mye cellene vokser og hvor mye skjellaget disse cellene lager var nøkkelfaktorer som kontrollerte dannelsen av striper," sa Dr. Moyroud, "men da vi begynte å teste modellen vha. eksperimentelt arbeid i Venezia-mallow fant vi ut at dannelsen deres også er svært avhengig av kutikulakjemi, noe som påvirker hvordan neglebåndet reagerer på kreftene som forårsaker knekking.»
«Det neste spørsmålet vi ønsker å utforske er hvordan ulike kjemier kan endre de mekaniske egenskapene til neglebåndet, som et nanostrukturbyggende materiale. Det kan være at ulike kjemiske sammensetninger resulterer i en kutikula med ulik arkitektur eller med ulik stivhet og dermed ulike måter å reagere på kreftene som cellene opplever når kronbladet vokser.»
Dette prosjektet avslørte at det er en kombinasjon av prosesser som jobber sammen og lar planter forme overflatene sine. Dr. Moyroud la til: "Planter er formidable kjemikere, og disse resultatene illustrerer hvordan de nøyaktig kan justere kjemien i skjellaget for å produsere forskjellige teksturer på tvers av kronbladene. Mønstre dannet i mikroskopisk skala kan fylle en rekke funksjoner, fra kommunikasjon med pollinatorer til forsvar mot planteetere eller patogener."
"De er slående eksempler på evolusjonær diversifisering, og ved å kombinere eksperimenter og beregningsmodellering begynner vi å forstå litt bedre hvordan planter kan fremstille dem."
Funnene vil bli publisert i Current Biology.
«Denne innsikten er også nyttig for biologisk mangfold og bevaringsarbeid fordi de hjelper til med å forklare hvordan planter samhandler med miljøet deres, sier professor Glover, som også er direktør for Cambridge University Botanic Garden, der forskerne først la merke til de iriserende blomstene til Venezia-malva.
«For eksempel kan arter som er nært beslektet, men som vokser i forskjellige geografiske regioner, ha svært forskjellige kronbladmønstre. Å forstå hvorfor kronbladene varierer og hvordan dette kan påvirke forholdet mellom plantene og pollinatorene deres, kan bidra til bedre å informere om politikk i fremtidig forvaltning av miljøsystemer og bevaring av biologisk mangfold."
Undersøker hva som driver 3D kronbladsmønster
Forskerne tok en trinnvis tilnærming til undersøkelsene. De observerte først utviklingen av kronbladene og la merke til at kutikula-mønstrene vises når cellene forlenges, noe som tyder på at vekst var viktig. De bestemte deretter om måling av fysiske parametere relatert til vekst, som celleekspansjon og kutikulatykkelse, kunne forutsi mønstrene som ble observert tilstrekkelig, og fant ut at de ikke kunne. De tok deretter et skritt bakover for å prøve å identifisere hva som manglet.
Egenskapene til et materiale, enten det er uorganisk eller produsert av levende celler som neglebåndet, vil sannsynligvis avhenge av den kjemiske naturen til dette materialet. Med dette i tankene bestemte forskerne seg for å se på kutikulakjemi, og fant ut at dette faktisk er en kontrollerende faktor. For å gjøre dette brukte de først en ny metode fra kjemifeltet for å analysere sammensetningen av neglebåndet på svært spesifikke punkter over kronbladet. Dette viste at kronbladregioner med kontrasterende teksturer (glatt eller stripete) også er forskjellige i kjemien til overflaten.
Sammenlignet med glatt neglebånd, fant de ut at den stripede kutikulaen har høye nivåer av dihydroksy-palmitinsyre og voks og lave nivåer av fenoliske forbindelser. For å teste om neglebåndskjemi virkelig var viktig, var de banebrytende for en transgen tilnærming i Hibiscus for å endre kutikulakjemi direkte i plantene, ved å bruke gener som ligner på de som er kjent for å kontrollere produksjonen av neglebåndsmolekyler i en annen modellplante, Arabidopsis.
Dette viste at neglebåndstekstur kan modifiseres, uten å endre cellevekst, ganske enkelt ved å modifisere neglebåndssammensetningen. Hvordan kan skjellagets kjemi kontrollere 3D-foldingen? Forskerne tror at en endring i skjellaget kjemi påvirker de mekaniske egenskapene til neglebåndet, ettersom transgene kronblader med glatte neglebånd, selv når de strekkes ved hjelp av en spesiell enhet, forble glatte, i motsetning til de fra villtypeplanter.