Cambridge-i kutatók kimutatták, hogy a növények képesek szabályozni szirmuk felületének kémiáját, hogy a méhek számára látható irizáló jeleket hozzanak létre.
Míg a legtöbb virág olyan pigmenteket termel, amelyek színesnek tűnnek, és vizuális jelzésként szolgálnak a beporzóknak, egyes virágok mikroszkopikus, háromdimenziós mintákat is létrehoznak szirmai felületén. Ezek a párhuzamos csíkok a fény bizonyos hullámhosszait tükrözik, és olyan irizáló optikai hatást keltenek, amely nem mindig látható az emberi szem számára, de a méhek számára látható.
Nagy versengés folyik a beporzók figyelméért, és – tekintettel arra, hogy a világ termésének 35%-a állati beporzókra támaszkodik – annak megértése, hogy a növények miként alakítanak ki olyan szirmmintákat, amelyek tetszenek a beporzóknak, jelentős szerepet játszhat a mezőgazdasággal, a biológiai sokféleséggel és a természetvédelemmel kapcsolatos jövőbeli kutatások és politikák irányításában.
A Cambridge-i Növénytudományi Tanszéken Beverley Glover professzor csapata által vezetett kutatás kimutatta, hogy a szirmok mintázatában több van, mint amilyennek látszik. Korábbi eredmények azt mutatták, hogy a mechanikai kihajlás a vékony, védő kutikula réteg a fiatal, növekvő szirmok felszínén mikroszkopikus gerincek kialakulását idézheti elő.
Ezek a félig rendezett gerincek diffrakciós rácsként működnek, amelyek különböző hullámhosszú fényt vernek vissza, és gyenge irizáló kék-halo hatást hoznak létre a poszméhek által látható kék-UV spektrumban. Nem értettük azonban, hogy ezek a csíkok miért csak bizonyos virágokban, vagy akár csak a szirmok egyes részein alakulnak ki.
Edwige Moyroud, aki Glover professzor laboratóriumában kezdte el ezt a kutatást, és jelenleg saját kutatócsoportját vezeti a Sainsbury Laboratoryban, új modellfajként fejlesztette ki az ausztrál őshonos hibiszkuszt, a Velencei mályvát (Hibiscus trionum), hogy megpróbálja megérteni, hogyan és mikor. kialakulnak ezek a nanostruktúrák.
"A kezdeti modellünk azt jósolta, hogy a sejtek növekedésének mértéke és a sejtek mekkora kutikulát képeztek a kulcsfontosságú tényezők a csíkok kialakulásában" - mondta Dr. Moyroud -, de amikor elkezdtük tesztelni a modellt. kísérleti munka A velencei mályvában rájöttünk, hogy kialakulásuk nagymértékben függ a kutikula kémiájától is, ami befolyásolja, hogy a kutikula hogyan reagál a kihajlást okozó erőkre.”
„A következő kérdés, amit szeretnénk megvizsgálni, az, hogy a különböző kémiák hogyan változtathatják meg a kutikula, mint nanoszerkezet-építő anyag mechanikai tulajdonságait. Előfordulhat, hogy a különböző kémiai összetételek eltérő architektúrájú vagy eltérő merevségű kutikulát eredményeznek, és ezért eltérő módon reagálnak a sejtek által a szirom növekedése során fellépő erőkre.”
Ez a projekt feltárta, hogy olyan folyamatok kombinációja létezik, amelyek együtt működnek, és lehetővé teszik a növények számára, hogy formálják felületüket. Dr. Moyroud hozzátette: „A növények félelmetes vegyészek, és ezek az eredmények azt illusztrálják, hogyan tudják pontosan hangolni a kutikula kémiáját, hogy különböző textúrákat hozzanak létre szirmaikon. A mikroszkopikus léptékben kialakult minták számos funkciót betölthetnek, a beporzókkal való kommunikációtól a növényevők vagy kórokozók elleni védekezésig.”
"Ezek az evolúciós diverzifikáció szembetűnő példái, és a kísérletek és a számítási modellezés kombinálásával egy kicsit jobban kezdjük megérteni, hogyan állíthatják elő a növények őket."
Az eredményeket ben tesszük közzé Current Biology.
„Ezek a felismerések a biológiai sokféleség és a konzerválási munka mert segítenek megmagyarázni, hogyan lépnek kapcsolatba a növények a környezetükkel” – mondta Glover professzor, aki egyben a Cambridge-i Egyetem Botanikus Kertjének igazgatója is, ahol a kutatók először figyeltek fel a Velencei mályva irizáló virágaira.
„Például azok a fajok, amelyek közeli rokonok, de különböző földrajzi régiókban nőnek, nagyon eltérő szirmmintázatot mutathatnak. Annak megértése, hogy miért változik a szirmok mintázata, és ez hogyan befolyásolhatja a növények és beporzóik közötti kapcsolatot, segíthet a környezeti rendszerek jövőbeli kezelésével és a biológiai sokféleség megőrzésével kapcsolatos szakpolitikák jobb tájékoztatásában.
Annak vizsgálata, hogy mi hajtja a 3D szirommintázást
A kutatók lépésenkénti megközelítést alkalmaztak a vizsgálatok során. Először figyelték meg a szirmok fejlődését, és észrevették, hogy a kutikula mintázat akkor jelenik meg, amikor a sejtek megnyúlnak, ami arra utal, hogy a növekedés fontos volt. Ezután megállapították, hogy a növekedéssel kapcsolatos fizikai paraméterek, például a sejttágulás és a kutikula vastagságának mérése megfelelően előre jelezheti-e a megfigyelt mintákat, és azt találták, hogy nem. Ezután tettek egy lépést hátrafelé, hogy megpróbálják azonosítani, mi hiányzik.
Egy anyag tulajdonságai, legyenek azok szervetlenek vagy élő sejtek, például a kutikula, valószínűleg az anyag kémiai természetétől függenek. Ezt szem előtt tartva a kutatók úgy döntöttek, hogy megvizsgálják a kutikula kémiáját, és megállapították, hogy ez valóban egy irányító tényező. Ehhez először a kémia új módszerével elemezték a kutikula összetételét a szirom nagyon meghatározott pontjain. Ez azt mutatta, hogy a kontrasztos textúrájú (sima vagy csíkos) sziromrégiók felületük kémiájában is különböznek.
A sima kutikulával összehasonlítva azt találták, hogy a harántcsíkolt kutikulában magas a dihidroxi-palmitinsav és viasz, valamint alacsony a fenolos vegyületek szintje. Annak tesztelésére, hogy a kutikula kémiája valóban fontos-e, úttörőként vezettek be egy transzgenikus megközelítést a Hibiscusban, hogy közvetlenül a növényekben módosítsák a kutikula kémiáját, olyan géneket használva, amelyek hasonlóak azokhoz, amelyekről ismert, hogy szabályozzák a kutikula molekulák termelését egy másik modellnövényben, az Arabidopsisban.
Ez azt mutatta, hogy a kutikula textúrája módosítható a sejtnövekedés megváltoztatása nélkül, egyszerűen a kutikula összetételének módosításával. Hogyan szabályozhatja a kutikula kémiája a 3D hajtogatását? A kutatók úgy gondolják, hogy a kutikula változása kémia befolyásolja a kutikula mechanikai tulajdonságait, mivel a sima kutikulával rendelkező transzgénikus szirmok még speciális eszközzel történő nyújtáskor is simák maradtak, ellentétben a vad típusú növényekéval.