Cambridge-forskere har vist, at planter kan regulere kemien af deres kronbladsoverflade for at skabe iriserende signaler, der er synlige for bier.
Mens de fleste blomster producerer pigmenter, der virker farverige og fungerer som et visuelt signal til bestøvere, skaber nogle blomster også mikroskopiske tredimensionelle mønstre på deres kronbladsoverflader. Disse parallelle striber reflekterer særlige bølgelængder af lys for at producere en iriserende optisk effekt, der ikke altid er synlig for menneskelige øjne, men alligevel synlig for bier.
Der er masser af konkurrence om opmærksomhed fra bestøvere, og - i betragtning af at 35 % af verdens afgrøder er afhængige af dyrebestøvere - at forstå, hvordan planter laver kronbladsmønstre, der behager bestøvere, kan være vigtig for at lede fremtidig forskning og politikker inden for landbrug, biodiversitet og bevaring.
Forskning ledet af professor Beverley Glovers team ved Cambridges Institut for Plantevidenskab afslørede, at der er mere ved kronbladsmønstret, end man kan se. Tidligere resultater indikerede, at mekanisk udbøjning af tynde, beskyttende neglebånd lag på overfladen af de unge voksende kronblade kunne udløse dannelsen af mikroskopiske kamme.
Disse semi-ordnede kamme fungerer som diffraktionsgitre, der reflekterer forskellige bølgelængder af lys for at skabe en svag iriserende blå-halo-effekt i det blå-UV-spektrum, som humlebier kan se. Men hvorfor disse striber kun dannes i visse blomster eller endda kun på visse dele af kronbladene, blev ikke forstået.
Edwige Moyroud, som startede denne forskning i professor Glovers laboratorium og nu leder sin egen forskergruppe ved Sainsbury Laboratory, har udviklet den australske hjemmehørende hibiscus, Venedig mallow (Hibiscus trionum), som en ny modelart for at forsøge at forstå hvordan og hvornår disse nanostrukturer udvikler sig.
"Vores oprindelige model forudsagde, at hvor meget celler vokser, og hvor meget neglebånd disse celler laver, var nøglefaktorer, der styrer dannelsen af striber," sagde Dr. Moyroud, "men da vi begyndte at teste modellen vha. eksperimentelt arbejde i Venedig mallow fandt vi ud af, at deres dannelse også er meget afhængig af neglebåndskemi, hvilket påvirker, hvordan neglebåndet reagerer på de kræfter, der forårsager knæk.”
"Det næste spørgsmål, vi vil udforske, er, hvordan forskellige kemier kan ændre de mekaniske egenskaber af neglebåndet, som et nanostrukturbyggende materiale. Det kan være, at forskellige kemiske sammensætninger resulterer i et neglebånd med forskellig arkitektur eller med forskellig stivhed og dermed forskellige måder at reagere på de kræfter, som celler udsættes for, når kronbladet vokser."
Dette projekt afslørede, at der er en kombination af processer, der arbejder sammen og tillader planter at forme deres overflader. Dr. Moyroud tilføjede: "Planter er formidable kemikere, og disse resultater illustrerer, hvordan de præcist kan justere kemien i deres neglebånd til at producere forskellige teksturer på tværs af deres kronblade. Mønstre dannet i mikroskopisk skala kan opfylde en række funktioner, fra kommunikation med bestøvere til forsvar mod planteædere eller patogener."
"De er slående eksempler på evolutionær diversificering, og ved at kombinere eksperimenter og beregningsmodeller begynder vi at forstå lidt bedre, hvordan planter kan fremstille dem."
Resultaterne vil blive offentliggjort i Current Biology.
“Denne indsigt er også nyttig for biodiversitet og bevaringsarbejde fordi de er med til at forklare, hvordan planter interagerer med deres miljø,” sagde professor Glover, som også er direktør for Cambridge University Botanic Garden, hvor forskerne først lagde mærke til de iriserende blomster fra Venedig-malva.
"For eksempel kan arter, der er nært beslægtede, men som vokser i forskellige geografiske områder, have meget forskellige kronbladsmønstre. Forståelse af, hvorfor kronbladsklappen varierer, og hvordan dette kan påvirke forholdet mellem planterne og deres bestøvere, kan hjælpe til bedre at informere om politikker i fremtidig forvaltning af miljøsystemer og bevarelse af biodiversitet."
Undersøgelse af, hvad der driver 3D kronbladsmønster
Forskerne tog en trinvis tilgang til undersøgelserne. De observerede først udviklingen af kronblade og bemærkede, at neglebåndsmønstrene opstår, når cellerne forlænges, hvilket tyder på, at vækst var vigtig. De bestemte derefter, om måling af fysiske parametre relateret til vækst, såsom celleudvidelse og neglebåndstykkelse, kunne forudsige de observerede mønstre tilstrækkeligt, og fandt ud af, at de ikke kunne. De tog derefter et skridt tilbage for at forsøge at identificere, hvad der manglede.
Egenskaberne af et materiale, uanset om det er uorganisk eller produceret af levende celler som neglebåndet, afhænger sandsynligvis af dette materiales kemiske natur. Med dette i tankerne besluttede forskerne at se på neglebåndskemi og fandt ud af, at dette faktisk er en kontrollerende faktor. For at gøre dette brugte de først en ny metode fra kemifeltet til at analysere sammensætningen af neglebåndet på meget specifikke punkter på tværs af kronbladet. Dette viste, at kronbladsområder med kontrasterende teksturer (glatte eller stribede) også adskiller sig i kemien af deres overflade.
Sammenlignet med glatte neglebånd fandt de ud af, at den stribede neglebånd har høje niveauer af dihydroxy-palmitinsyre og voks og lave niveauer af phenolforbindelser. For at teste, om neglebåndskemi virkelig var vigtig, startede de derefter en transgen tilgang i Hibiscus for at ændre neglebåndskemi direkte i planterne ved at bruge gener, der ligner dem, der vides at kontrollere produktionen af neglebåndsmolekyler i en anden modelplante, Arabidopsis.
Dette viste, at neglebåndets tekstur kan modificeres uden at ændre cellevækst, blot ved at ændre neglebåndets sammensætning. Hvordan kan neglebåndskemi styre dens 3D-foldning? Forskerne mener, at en ændring i neglebånd kemi påvirker neglebåndets mekaniske egenskaber, da transgene kronblade med glatte neglebånd, selv når de strækkes ved hjælp af en speciel anordning, forblev glatte, i modsætning til dem fra vildtypeplanter.