Исследователи из Кембриджа показали, что растения могут регулировать химический состав поверхности своих лепестков, чтобы создавать радужные сигналы, видимые пчелам.
В то время как большинство цветов производят пигменты, которые кажутся красочными и служат визуальным сигналом для опылителей, некоторые цветы также создают микроскопические трехмерные узоры на поверхности своих лепестков. Эти параллельные полосы отражают свет с определенной длиной волны, создавая переливающийся оптический эффект, который не всегда виден человеческому глазу, но виден пчелам.
Существует большая конкуренция за внимание со стороны опылителей, и, учитывая, что 35% сельскохозяйственных культур в мире зависят от животных-опылителей, понимание того, как растения формируют узоры лепестков, которые нравятся опылителям, может иметь важное значение для направления будущих исследований и политики в области сельского хозяйства, биоразнообразия и сохранения.
Исследования, проведенные группой профессора Беверли Гловер из Кембриджского факультета наук о растениях, показали, что в формировании лепестков есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Предыдущие результаты показали, что механическое коробление тонкого защитного кутикула слой на поверхности молодых растущих лепестков может спровоцировать образование микроскопических гребней.
Эти полуупорядоченные гребни действуют как дифракционные решетки, которые отражают свет с различной длиной волны, создавая слабый переливающийся эффект синего ореола в синем УФ-спектре, который могут видеть шмели. Однако, почему эти исчерченности образуются только у определенных цветков или даже только на определенных частях лепестков, было непонятно.
Эдвиг Мойруд, которая начала это исследование в лаборатории профессора Гловера и сейчас возглавляет свою собственную исследовательскую группу в лаборатории Сейнсбери, разработала местный австралийский гибискус, венецианскую мальву (Hibiscus trionum), в качестве нового модельного вида, чтобы попытаться понять, как и когда эти наноструктуры развиваются.
«Наша первоначальная модель предсказывала, что ключевыми факторами, контролирующими образование борозд, были скорость роста клеток и количество образуемой ими кутикулы, — сказал д-р Мойруд, — но когда мы начали тестировать модель, используя экспериментальная работа в венецианской мальве мы обнаружили, что их формирование также сильно зависит от химического состава кутикулы, который влияет на то, как кутикула реагирует на силы, вызывающие коробление».
«Следующий вопрос, который мы хотим изучить, заключается в том, как различные химические вещества могут изменить механические свойства кутикулы как материала для построения наноструктуры. Возможно, разный химический состав приводит к разной архитектуре или жесткости кутикулы и, следовательно, к разным способам реагирования на силы, испытываемые клетками по мере роста лепестка».
Этот проект показал, что существует комбинация процессов, работающих вместе и позволяющих растениям формировать свою поверхность. Доктор Мойруд добавил: «Растения — выдающиеся химики, и эти результаты показывают, как они могут точно настроить химический состав своей кутикулы для создания различных текстур на своих лепестках. Паттерны, сформированные в микроскопическом масштабе, могут выполнять ряд функций, от общения с опылителями до защиты от травоядных или патогенов».
«Они являются яркими примерами эволюционной диверсификации, и, сочетая эксперименты и компьютерное моделирование, мы начинаем немного лучше понимать, как растения могут их производить».
Выводы будут опубликованы в Current Biology.
«Эти идеи также полезны для биоразнообразия и консервационные работы потому что они помогают объяснить, как растения взаимодействуют с окружающей средой», — сказал профессор Гловер, который также является директором Ботанического сада Кембриджского университета, в котором исследователи впервые заметили радужные цветы венецианской мальвы.
«Например, виды, которые тесно связаны между собой, но произрастают в разных географических регионах, могут иметь очень разные рисунки лепестков. Понимание того, почему рисунок лепестков различается и как это может повлиять на отношения между растениями и их опылителями, может помочь лучше информировать политику в будущем управлении экологическими системами и сохранении биоразнообразия».
Изучение того, что движет трехмерным рисунком лепестков
Исследователи подошли к исследованиям поэтапно. Сначала они наблюдали за развитием лепестков и заметили, что узоры кутикулы появляются, когда клетки удлиняются, что свидетельствует о важности роста. Затем они определили, могут ли измерения физических параметров, связанных с ростом, таких как расширение клеток и толщина кутикулы, адекватно предсказать наблюдаемые закономерности, и обнаружили, что не могут. Затем они сделали шаг назад, чтобы попытаться определить, чего не хватает.
Свойства материала, будь то неорганического или произведенного живыми клетками, такими как кутикула, вероятно, зависят от химической природы этого материала. Имея это в виду, исследователи решили изучить химию кутикулы и обнаружили, что это действительно контролирующий фактор. Для этого они сначала использовали новый метод из области химии для анализа состава кутикулы в очень определенных точках лепестка. Это показало, что участки лепестков с контрастной текстурой (гладкой или полосатой) различаются и по химическому составу своей поверхности.
По сравнению с гладкой кутикулой они обнаружили, что полосатая кутикула имеет высокий уровень дигидроксипальмитиновой кислоты и воска и низкий уровень фенольных соединений. Чтобы проверить, действительно ли важна химия кутикулы, они впервые применили трансгенный подход к гибискусу, чтобы изменить химию кутикулы непосредственно в растениях, используя гены, подобные тем, которые, как известно, контролируют производство молекул кутикулы у другого модельного растения, арабидопсиса.
Это показало, что текстуру кутикулы можно изменить без изменения роста клеток, просто изменив состав кутикулы. Как химия кутикулы может контролировать ее трехмерную укладку? Исследователи считают, что изменение кутикулы химия влияет на механические свойства кутикулы, так как даже при растяжении с помощью специального приспособления лепестки трансгенных растений с гладкой кутикулой оставались гладкими, в отличие от лепестков растений дикого типа.