Vědci z Cambridge prokázali, že rostliny mohou regulovat chemii povrchu svých okvětních lístků a vytvářet duhové signály viditelné pro včely.
Zatímco většina květin produkuje pigmenty, které vypadají barevně a působí jako vizuální vodítko pro opylovače, některé květiny také vytvářejí mikroskopické trojrozměrné vzory na povrchu okvětních lístků. Tyto paralelní pruhy odrážejí určité vlnové délky světla a vytvářejí duhový optický efekt, který není vždy viditelný pro lidské oči, ale viditelný pro včely.
Opylovači si hodně konkurují o pozornost a – vzhledem k tomu, že 35 % světových plodin závisí na živočišných opylovačích – pochopení toho, jak rostliny vytvářejí vzory okvětních lístků, které potěší opylovače, by mohlo být významné pro řízení budoucího výzkumu a politik v zemědělství, biodiverzitě a ochraně přírody.
Výzkum vedený týmem profesorky Beverley Glover z Cambridge's Department of Plant Sciences odhalil, že ve vzorování okvětních lístků je více, než se na první pohled zdá. Předchozí výsledky ukázaly, že mechanické vyboulení tenké, ochranné pokožka vrstva na povrchu mladých rostoucích okvětních lístků by mohla vyvolat tvorbu mikroskopických hřebenů.
Tyto polouspořádané hřebeny fungují jako difrakční mřížky, které odrážejí různé vlnové délky světla a vytvářejí slabý duhově modrý halo efekt v modrém UV spektru, který čmeláci vidí. Proč se však tyto pruhy tvoří pouze v určitých květinách nebo dokonce pouze na určitých částech okvětních lístků, nebylo pochopeno.
Edwige Moyroud, která zahájila tento výzkum v laboratoři profesora Glovera a nyní vede vlastní výzkumnou skupinu v Sainsbury Laboratory, vyvinula australský původní ibišek, sléz benátský (Hibiscus trionum), jako nový modelový druh, aby se pokusila pochopit, jak a kdy tyto nanostruktury se vyvíjejí.
"Náš původní model předpovídal, že to, kolik buněk roste a kolik kutikuly tyto buňky vytvářejí, byly klíčovými faktory řídícími tvorbu pruhů," řekl Dr. Moyroud, "ale když jsme začali testovat model pomocí experimentální práce v Benátském slézu jsme zjistili, že jejich tvorba je také vysoce závislá na chemii kutikuly, která ovlivňuje, jak kutikula reaguje na síly, které způsobují vyboulení.“
"Další otázkou, kterou chceme prozkoumat, je, jak mohou různé chemické látky změnit mechanické vlastnosti kutikuly jako materiálu vytvářejícího nanostrukturu." Může se stát, že různé chemické složení má za následek kutikulu s různou architekturou nebo s různou tuhostí, a tedy různými způsoby reakce na síly, které buňky zažívají, když okvětní lístek roste.
Tento projekt odhalil, že existuje kombinace procesů, které spolupracují a umožňují rostlinám tvarovat jejich povrchy. Dr. Moyroud dodal: „Rostliny jsou impozantní chemici a tyto výsledky ilustrují, jak mohou přesně vyladit chemii své kutikuly, aby vytvořily různé textury na jejich okvětních lístcích. Vzorce vytvořené v mikroskopickém měřítku mohou plnit řadu funkcí, od komunikace s opylovači po obranu proti býložravcům nebo patogenům.
"Jsou to pozoruhodné příklady evoluční diverzifikace a kombinací experimentů a výpočetního modelování začínáme trochu lépe chápat, jak je rostliny mohou vyrobit."
Zjištění budou zveřejněna v Current Biology.
„Tyto poznatky jsou také užitečné pro biologickou rozmanitost a konzervační práce protože pomáhají vysvětlit, jak rostliny interagují se svým prostředím,“ řekl profesor Glover, který je také ředitelem botanické zahrady Cambridgeské univerzity, ve které si vědci poprvé všimli duhových květů slézu benátského.
„Například druhy, které jsou blízce příbuzné, ale rostou v různých geografických oblastech, mohou mít velmi odlišné vzory okvětních lístků. Pochopení toho, proč se drobení okvětních lístků liší a jak to může ovlivnit vztah mezi rostlinami a jejich opylovači, by mohlo pomoci lépe informovat o politikách budoucího řízení environmentálních systémů a zachování biologické rozmanitosti.
Zkoumání toho, co pohání 3D vzorování okvětních lístků
Výzkumníci přistupovali k vyšetřování postupně. Nejprve pozorovali vývoj okvětních lístků a všimli si, že vzory kutikuly se objevují, když se buňky prodlužují, což naznačuje, že růst byl důležitý. Poté určili, zda měření fyzikálních parametrů souvisejících s růstem, jako je expanze buněk a tloušťka kutikuly, může adekvátně předpovědět pozorované vzory, a zjistili, že tomu tak není. Pak udělali krok zpět, aby se pokusili identifikovat, co chybí.
Vlastnosti materiálu, ať už anorganického nebo produkovaného živými buňkami, jako je kutikula, pravděpodobně závisí na chemické povaze tohoto materiálu. S ohledem na to se vědci rozhodli podívat se na chemii kutikuly a zjistili, že je to skutečně řídící faktor. K tomu nejprve použili novou metodu z oblasti chemie k analýze složení kutikuly ve velmi specifických bodech napříč okvětním lístkem. To ukázalo, že oblasti okvětních lístků s kontrastními texturami (hladké nebo pruhované) se také liší v chemii svého povrchu.
Ve srovnání s hladkou kutikulou zjistili, že pruhovaná kutikula má vysoké hladiny kyseliny dihydroxypalmitové a vosků a nízké hladiny fenolických sloučenin. Aby otestovali, zda je chemie kutikuly skutečně důležitá, propagovali transgenní přístup u ibišku ke změně chemie kutikuly přímo v rostlinách pomocí genů podobných těm, o kterých je známo, že řídí produkci molekul kutikuly v jiné modelové rostlině, Arabidopsis.
To ukázalo, že texturu kutikuly lze modifikovat bez změny buněčného růstu, jednoduše úpravou složení kutikuly. Jak může chemie kutikuly ovládat její 3D skládání? Vědci se domnívají, že jde o změnu kutikuly chemie ovlivňuje mechanické vlastnosti kutikuly, protože transgenní okvětní lístky s hladkou kutikulou zůstaly hladké i při natažení pomocí speciálního zařízení, na rozdíl od rostlin divokého typu.