Cambridgen tutkijat ovat osoittaneet, että kasvit voivat säädellä terälehtensä pinnan kemiaa luodakseen irisoivia signaaleja, jotka näkyvät mehiläisille.
Vaikka useimmat kukat tuottavat pigmenttejä, jotka näyttävät värikkäiltä ja toimivat visuaalisena vihjeenä pölyttäjille, jotkut kukat luovat myös mikroskooppisia kolmiulotteisia kuvioita terälehtien pinnoille. Nämä yhdensuuntaiset juovat heijastavat tiettyjä valon aallonpituuksia tuottaakseen irisoivan optisen vaikutelman, joka ei aina näy ihmissilmille, mutta silti mehiläisille.
Pölyttäjillä on paljon kilpailua huomiosta, ja – kun otetaan huomioon, että 35 % maailman sadoista on riippuvainen eläinpölyttäjistä – sen ymmärtäminen, kuinka kasvit tekevät terälehtiä, jotka miellyttävät pölyttäjiä, voivat olla tärkeitä suuntaamaan tulevaa tutkimusta ja politiikkaa maatalouden, biologisen monimuotoisuuden ja suojelun alalla.
Cambridgen kasvitieteiden laitoksen professori Beverley Gloverin tiimin johtama tutkimus paljasti, että terälehtien kuvioinnissa on enemmän kuin miltä näyttää. Aiemmat tulokset osoittivat, että ohut, suojaava mekaaninen lommahdus orvaskesi kerros nuorten kasvavien terälehtien pinnalle voi laukaista mikroskooppisten harjanteiden muodostumisen.
Nämä puolijärjestetyt harjanteet toimivat diffraktiohiloina, jotka heijastavat valon eri aallonpituuksia luoden heikon irisoivan sinihalo-efektin sini-UV-spektrissä, jonka kimalaiset näkevät. Ei kuitenkaan ymmärretty, miksi nuo juovat muodostuvat vain tietyissä kukissa tai jopa vain tiettyihin terälehtien osiin.
Edwige Moyroud, joka aloitti tämän tutkimuksen professori Gloverin laboratoriossa ja johtaa nyt omaa tutkimusryhmäänsä Sainsburyn laboratoriossa, on kehittänyt Australian kotoperäisen hibiskuksen, Venetsian mallowin (Hibiscus trionum), uudeksi mallilajiksi yrittääkseen ymmärtää, miten ja milloin nämä nanorakenteet kehittyvät.
"Alkuperäinen mallimme ennusti, että kuinka paljon solut kasvavat ja kuinka paljon kynsinauhoja nämä solut tekevät, olivat avaintekijöitä juovien muodostumisen hallinnassa", tohtori Moyroud sanoi, "mutta kun aloimme testata mallia käyttämällä kokeellinen työ Venetsian mallowissa havaitsimme, että niiden muodostuminen on myös erittäin riippuvainen kynsinauhojen kemiasta, joka vaikuttaa siihen, kuinka kynsinauho reagoi lommahduksen aiheuttaviin voimiin.
”Seuraava kysymys, jota haluamme tutkia, on, kuinka erilaiset kemiat voivat muuttaa kynsinauhojen mekaanisia ominaisuuksia nanorakennetta rakentavana materiaalina. Saattaa olla, että erilaiset kemialliset koostumukset johtavat kynsinauhaan, jolla on erilainen arkkitehtuuri tai erilainen jäykkyys ja siten erilaiset tavat reagoida solujen kokemiin voimiin terälehden kasvaessa."
Tämä projekti paljasti, että on olemassa yhdistelmä prosesseja, jotka toimivat yhdessä ja antavat kasveille mahdollisuuden muokata pintaansa. Tohtori Moyroud lisäsi: "Kasvit ovat valtavia kemistejä, ja nämä tulokset osoittavat, kuinka he voivat säätää kynsinauhonsa kemiaa tarkasti tuottamaan terälehdille erilaisia kuvioita. Mikroskooppisessa mittakaavassa muodostuneet kuviot voivat täyttää useita tehtäviä kommunikaatiosta pölyttäjien kanssa suojautumiseen kasvinsyöjiä tai taudinaiheuttajia vastaan.
"Ne ovat silmiinpistäviä esimerkkejä evoluution monipuolistamisesta, ja kokeita ja laskennallista mallintamista yhdistämällä alamme ymmärtää hieman paremmin, kuinka kasvit voivat valmistaa niitä."
Tulokset julkaistaan v Current Biology.
”Näistä oivalluksista on hyötyä myös luonnon monimuotoisuuden ja suojelutyöt koska ne auttavat selittämään, kuinka kasvit ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa", sanoi professori Glover, joka on myös Cambridgen yliopiston kasvitieteellisen puutarhan johtaja, jossa tutkijat huomasivat ensimmäisenä Venetsian malvan värikkäitä kukkia.
”Esimerkiksi lajeilla, jotka ovat läheistä sukua, mutta jotka kasvavat eri maantieteellisillä alueilla, voivat olla hyvin erilaisia terälehtikuvioita. Ymmärtäminen, miksi terälehtien tappelu vaihtelee ja miten tämä voi vaikuttaa kasvien ja niiden pölyttäjien väliseen suhteeseen, voisi auttaa parantamaan ympäristöjärjestelmien tulevaa hallintaa ja biologisen monimuotoisuuden säilyttämistä koskevia politiikkoja.
Tutkitaan, mikä ohjaa 3D-terälehtikuviointia
Tutkijat lähestyivät tutkimuksia vaiheittain. He tarkkailivat ensin terälehtien kehitystä ja huomasivat, että kynsinauhojen kuviot ilmestyvät solujen pidentyessä, mikä viittaa siihen, että kasvu oli tärkeää. Sitten he määrittelivät, pystyisivätkö kasvuun liittyvien fyysisten parametrien, kuten solujen laajenemisen ja kynsinauhojen paksuuden, mittaaminen ennustamaan havaitut kuviot riittävästi, ja havaitsivat, että he eivät pystyneet. Sitten he ottivat askeleen taaksepäin yrittääkseen tunnistaa, mitä puuttui.
Materiaalin ominaisuudet, olivatpa ne sitten epäorgaanisia tai elävien solujen, kuten kynsinauhan, tuottamia, riippuvat todennäköisesti tämän materiaalin kemiallisesta luonteesta. Tätä silmällä pitäen tutkijat päättivät tarkastella kynsinauhojen kemiaa ja havaitsivat, että tämä todellakin on hallitseva tekijä. Tätä varten he käyttivät ensin uutta kemian alan menetelmää kynsinauhojen koostumuksen analysoimiseksi terälehden erityisissä kohdissa. Tämä osoitti, että terälehtien alueet, joilla on kontrastirakenne (tasainen tai juovainen), eroavat myös pinnan kemiallisesti.
Verrattuna sileään kynsinauhaan he havaitsivat, että poikkijuovaisessa kynsinaulassa on korkea dihydroksipalmitiinihappo ja vahoja sekä vähän fenoliyhdisteitä. Testatakseen, oliko kynsinauhojen kemia todella tärkeää, he kehittivät sitten Hibiscusissa siirtogeenisen lähestymistavan muuttaakseen kynsinauhojen kemiaa suoraan kasveissa käyttämällä geenejä, jotka ovat samanlaisia kuin ne, joiden tiedetään säätelevän kynsinauhojen molekyylien tuotantoa toisessa mallikasvissa, Arabidopsiksessa.
Tämä osoitti, että kynsinauhojen rakennetta voidaan muokata muuttamatta solujen kasvua, yksinkertaisesti muokkaamalla kynsinauhojen koostumusta. Kuinka kynsinauhojen kemia voi hallita sen 3D-taittumista? Tutkijat ajattelevat, että muutos kynsinauhoissa kemia vaikuttaa kynsinauhan mekaanisiin ominaisuuksiin, sillä myös erityisellä laitteella venytettyinä siirtogeeniset terälehdet, joissa on sileä kynsinauho, pysyivät sileinä, toisin kuin villityypin kasveista.