Cambridge-forskare har visat att växter kan reglera kemin i deras kronbladsyta för att skapa iriserande signaler som är synliga för bin.
Medan de flesta blommor producerar pigment som verkar färgglada och fungerar som en visuell signal till pollinatörer, skapar vissa blommor också mikroskopiska tredimensionella mönster på sina kronbladsytor. Dessa parallella ränder reflekterar speciella våglängder av ljus för att producera en iriserande optisk effekt som inte alltid är synlig för mänskliga ögon, men ändå synlig för bin.
Det finns stor konkurrens om uppmärksamhet från pollinatörer och – med tanke på att 35 % av världens skördar är beroende av djurpollinatorer – att förstå hur växter skapar kronbladsmönster som behagar pollinatörer kan vara betydelsefullt för att styra framtida forskning och politik inom jordbruk, biologisk mångfald och bevarande.
Forskning ledd av professor Beverley Glovers team vid Cambridges institution för växtvetenskap avslöjade att det finns mer med kronbladsmönstring än vad man kan se. Tidigare resultat indikerade att mekanisk buckling av den tunna, skyddande nagelband lager på ytan av de unga växande kronbladen kan utlösa bildandet av mikroskopiska åsar.
Dessa semi-ordnade åsar fungerar som diffraktionsgitter som reflekterar olika våglängder av ljus för att skapa en svag iriserande blå-halo-effekt i det blå-UV-spektrum som humlor kan se. Men varför dessa ränder bara bildas i vissa blommor eller till och med bara på vissa delar av kronbladen förstod man inte.
Edwige Moyroud, som startade denna forskning i professor Glovers labb och nu leder sin egen forskargrupp vid Sainsbury Laboratory, har utvecklat den australiensiska inhemska hibiskusen, Venedig malva (Hibiscus trionum), som en ny modellart för att försöka förstå hur och när dessa nanostrukturer utvecklas.
"Vår första modell förutspådde att hur mycket celler som växer och hur mycket nagelband dessa celler gör var nyckelfaktorer som styrde bildandet av ränder", sa Dr. Moyroud, "men när vi började testa modellen med hjälp av experimentellt arbete i Venedig malva fick vi reda på att deras bildning också är starkt beroende av nagelbandskemi, vilket påverkar hur nagelbandet reagerar på krafterna som orsakar buckling.”
"Nästa fråga vi vill utforska är hur olika kemier kan förändra de mekaniska egenskaperna hos nagelbandet, som ett nanostrukturbyggande material. Det kan vara så att olika kemiska sammansättningar resulterar i en nagelband med olika arkitektur eller med olika styvhet och därmed olika sätt att reagera på de krafter som cellerna upplever när kronbladet växer."
Detta projekt avslöjade att det finns en kombination av processer som samverkar och tillåter växter att forma sina ytor. Dr. Moyroud tillade, "Växter är fantastiska kemister och dessa resultat illustrerar hur de exakt kan justera kemin i sina nagelband för att producera olika texturer över sina kronblad. Mönster som bildas i mikroskopisk skala kan fylla en rad funktioner, från kommunikation med pollinatörer till försvar mot växtätare eller patogener."
"De är slående exempel på evolutionär diversifiering och genom att kombinera experiment och beräkningsmodellering börjar vi förstå lite bättre hur växter kan tillverka dem."
Resultaten kommer att publiceras i Current Biology.
”Dessa insikter är också användbara för biologisk mångfald och bevarandearbete eftersom de hjälper till att förklara hur växter interagerar med sin miljö, säger professor Glover, som också är chef för Cambridge University Botanic Garden, där forskarna först märkte de regnbågsskimrande blommorna i Venedig malva.
”Till exempel kan arter som är nära besläktade men som växer i olika geografiska regioner ha väldigt olika kronbladsmönster. Att förstå varför kronbladsklappningen varierar och hur detta kan påverka förhållandet mellan växterna och deras pollinatörer kan hjälpa till att bättre informera om politiken för framtida förvaltning av miljösystem och bevarande av biologisk mångfald.”
Undersöker vad som driver 3D-mönster av kronblad
Forskarna tog ett stegvis grepp om undersökningarna. De observerade först utvecklingen av kronblad och märkte att nagelbandsmönstren uppträder när celler förlängs, vilket tyder på att tillväxt var viktig. De bestämde sedan om mätning av fysiska parametrar relaterade till tillväxt, såsom cellexpansion och nagelbandstjocklek, på ett adekvat sätt kunde förutsäga mönstren som observerades, och fann att de inte kunde. De tog sedan ett steg bakåt för att försöka identifiera vad som saknades.
Egenskaperna hos ett material, oavsett om det är oorganiskt eller producerat av levande celler som nagelbandet, beror sannolikt på den kemiska naturen hos detta material. Med detta i åtanke beslutade forskarna att titta på nagelbandskemi och fann att detta verkligen är en kontrollerande faktor. För att göra detta använde de först en ny metod från kemiområdet för att analysera nagelbandets sammansättning på mycket specifika punkter över kronbladet. Detta visade att kronbladsregioner med kontrasterande texturer (släta eller tvärstrimmiga) också skiljer sig åt i kemin på deras yta.
I jämförelse med släta nagelband fann de att den tvärstrimmiga nagelbanden har höga halter av dihydroxipalmitinsyra och vaxer och låga halter av fenoliska föreningar. För att testa om nagelbandskemi verkligen var viktig, banade de sedan vägen för ett transgeniskt tillvägagångssätt i Hibiscus för att ändra nagelbandskemin direkt i växterna, med hjälp av gener som liknar de som är kända för att styra produktionen av nagelbandsmolekyler i en annan modellväxt, Arabidopsis.
Detta visade att nagelbandens struktur kan modifieras, utan att ändra celltillväxt, helt enkelt genom att modifiera nagelbandets sammansättning. Hur kan nagelbandskemin styra dess 3D-vikning? Forskarna tror att en förändring i nagelbanden kemi påverkar de mekaniska egenskaperna hos nagelbandet eftersom transgena kronblad med slät nagelband även när de sträcks ut med en speciell anordning förblev släta, till skillnad från de från vildtypsväxter.