Výskumníci z Cambridge ukázali, že rastliny môžu regulovať chémiu povrchu svojich okvetných lístkov, aby vytvorili dúhové signály viditeľné pre včely.
Zatiaľ čo väčšina kvetov produkuje pigmenty, ktoré sa javia ako farebné a pôsobia ako vizuálny podnet pre opeľovače, niektoré kvety tiež vytvárajú mikroskopické trojrozmerné vzory na svojich okvetných lístkoch. Tieto paralelné pruhy odrážajú konkrétne vlnové dĺžky svetla a vytvárajú dúhový optický efekt, ktorý nie je vždy viditeľný pre ľudské oči, ale viditeľný pre včely.
Opeľovače si veľa konkurujú o pozornosť a – vzhľadom na to, že 35 % svetových plodín závisí od živočíšnych opeľovačov – pochopenie toho, ako rastliny vytvárajú vzory okvetných lístkov, ktoré potešia opeľovačov, by mohlo byť dôležité pre riadenie budúceho výskumu a politík v poľnohospodárstve, biodiverzite a ochrane.
Výskum vedený tímom profesorky Beverley Glover z Katedry rastlinných vied v Cambridge odhalil, že vo vzorovaní okvetných lístkov je viac, než sa zdá. Predchádzajúce výsledky ukázali, že mechanické vybočenie tenkého, ochranného pokožka vrstva na povrchu mladých rastúcich okvetných lístkov by mohla vyvolať tvorbu mikroskopických hrebeňov.
Tieto polousporiadané hrebene fungujú ako difrakčné mriežky, ktoré odrážajú rôzne vlnové dĺžky svetla a vytvárajú slabý dúhový efekt modrej halo v modrom UV spektre, ktoré čmeliaky môžu vidieť. Prečo sa však tieto pruhy tvoria iba v určitých kvetoch alebo dokonca len na určitých častiach okvetných lístkov, nebolo pochopené.
Edwige Moyroud, ktorá začala tento výskum v laboratóriu profesora Glovera a teraz vedie vlastnú výskumnú skupinu v laboratóriu Sainsbury, vyvinula austrálsky pôvodný ibištek, slez benátsky (Hibiscus trionum), ako nový modelový druh, aby sa pokúsila pochopiť, ako a kedy tieto nanoštruktúry sa vyvíjajú.
"Náš pôvodný model predpovedal, že to, koľko buniek rastie a koľko kutikuly tieto bunky vytvárajú, boli kľúčovými faktormi, ktoré kontrolovali tvorbu pruhov," povedal Dr. Moyroud, "ale keď sme začali testovať model pomocou experimentálna práca v Benátskom sleze sme zistili, že ich tvorba je tiež vysoko závislá od chémie kutikuly, ktorá ovplyvňuje, ako kutikula reaguje na sily, ktoré spôsobujú vybočenie.“
"Ďalšou otázkou, ktorú chceme preskúmať, je, ako môžu rôzne chemické látky zmeniť mechanické vlastnosti kutikuly ako materiálu na stavbu nanoštruktúr. Môže sa stať, že rôzne chemické zloženie má za následok kutikulu s rôznou architektúrou alebo s rôznou tuhosťou, a teda rôznymi spôsobmi reakcie na sily, ktoré bunky zažívajú pri raste okvetného lístka.
Tento projekt odhalil, že existuje kombinácia procesov, ktoré spolupracujú a umožňujú rastlinám tvarovať ich povrchy. Dr. Moyroud dodal: „Rastliny sú impozantní chemici a tieto výsledky ilustrujú, ako dokážu presne vyladiť chémiu svojej kutikuly, aby vytvorili rôzne textúry na svojich okvetných lístkoch. Vzory vytvorené v mikroskopickom meradle môžu plniť celý rad funkcií, od komunikácie s opeľovačmi až po obranu proti bylinožravcom alebo patogénom.
"Sú to pozoruhodné príklady evolučnej diverzifikácie a kombináciou experimentov a výpočtového modelovania začíname trochu lepšie chápať, ako ich môžu rastliny vyrobiť."
Zistenia budú zverejnené v Current Biology.
„Tieto poznatky sú užitočné aj pre biodiverzitu a konzervačné práce pretože pomáhajú vysvetliť, ako rastliny interagujú so svojím prostredím,“ povedal profesor Glover, ktorý je zároveň riaditeľom botanickej záhrady Cambridgeskej univerzity, v ktorej si vedci prvýkrát všimli dúhové kvety slezu benátskeho.
"Napríklad druhy, ktoré sú blízko príbuzné, ale rastú v rôznych geografických oblastiach, môžu mať veľmi odlišné vzory okvetných lístkov. Pochopenie toho, prečo sa drobenie okvetných lístkov líši a ako to môže ovplyvniť vzťah medzi rastlinami a ich opeľovačmi, by mohlo pomôcť lepšie informovať o politikách v budúcom riadení environmentálnych systémov a zachovaní biodiverzity.
Skúmanie toho, čo poháňa 3D vzorovanie okvetných lístkov
Výskumníci pristúpili k vyšetrovaniu postupne. Najprv pozorovali vývoj okvetných lístkov a všimli si, že vzory kutikuly sa objavujú, keď sa bunky predlžujú, čo naznačuje, že rast bol dôležitý. Potom určili, či meranie fyzikálnych parametrov súvisiacich s rastom, ako je expanzia buniek a hrúbka kutikuly, môže primerane predpovedať pozorované vzory a zistili, že to nedokážu. Potom urobili krok späť, aby sa pokúsili identifikovať, čo chýba.
Vlastnosti materiálu, či už anorganického alebo produkovaného živými bunkami, ako je kutikula, budú pravdepodobne závisieť od chemickej povahy tohto materiálu. S ohľadom na to sa výskumníci rozhodli pozrieť sa na chémiu kutikuly a zistili, že je to skutočne kontrolný faktor. Na tento účel najprv použili novú metódu z oblasti chémie na analýzu zloženia kutikuly vo veľmi špecifických bodoch v okvetnom lístku. To ukázalo, že oblasti okvetných lístkov s kontrastnými textúrami (hladké alebo pruhované) sa tiež líšia v chémii svojho povrchu.
V porovnaní s hladkou kutikulou zistili, že pruhovaná kutikula má vysoké hladiny kyseliny dihydroxy-palmitovej a voskov a nízke hladiny fenolových zlúčenín. Aby otestovali, či je chémia kutikuly skutočne dôležitá, potom vyvinuli transgénny prístup v Hibiscus na zmenu chémie kutikuly priamo v rastlinách pomocou génov podobných tým, o ktorých je známe, že riadia produkciu kutikulových molekúl v inej modelovej rastline, Arabidopsis.
To ukázalo, že textúru kutikuly možno modifikovať bez zmeny bunkového rastu jednoduchou úpravou zloženia kutikuly. Ako môže chémia kutikuly kontrolovať jej 3D skladanie? Vedci si myslia, že ide o zmenu kutikuly chémia ovplyvňuje mechanické vlastnosti kutikuly, pretože aj po natiahnutí pomocou špeciálneho zariadenia zostali transgénne okvetné lístky s hladkou kutikulou hladké, na rozdiel od tých z rastlín divokého typu.