Vísindamenn frá Cambridge hafa sýnt að plöntur geta stjórnað efnafræði yfirborðs blaðsins til að búa til ljómandi merki sem eru sýnileg býflugum.
Þó að flest blóm framleiði litarefni sem virðast litrík og virka sem sjónræn vísbending fyrir frævunardýr, búa sum blóm einnig til smásæis þrívíddarmynstur á yfirborði þeirra. Þessar samhliða rákir endurspegla ákveðnar bylgjulengdir ljóss til að framleiða ljómandi sjónræn áhrif sem eru ekki alltaf sýnileg augum manna, en samt sýnileg býflugum.
Það er mikil samkeppni um athygli frævunarmanna og - í ljósi þess að 35% af uppskeru heimsins treysta á frævun dýra - að skilja hvernig plöntur búa til blómblöðamynstur sem þóknast frævum gæti verið mikilvægt til að stýra framtíðarrannsóknum og stefnu í landbúnaði, líffræðilegum fjölbreytileika og náttúruvernd.
Rannsóknir undir forystu teymi prófessors Beverley Glover við plöntuvísindadeild Cambridge leiddu í ljós að það er meira við mynstrum á blómblöðum en sýnist. Fyrri niðurstöður benda til þess að vélrænni buckling þunnt, verndandi naglabönd lag á yfirborði ungra vaxtarblaðanna gæti komið af stað myndun smásjárhryggja.
Þessir hálfröðuðu hryggir virka sem dreifingarrist sem endurkasta mismunandi bylgjulengdum ljóss til að búa til veikt irisandi blá-haló áhrif í bláa-UV litrófinu sem humlur geta séð. Hins vegar var ekki skilið hvers vegna þessar rákir myndast aðeins í ákveðnum blómum eða jafnvel aðeins á ákveðnum hlutum krónublaðanna.
Edwige Moyroud, sem hóf þessar rannsóknir í rannsóknarstofu prófessor Glover og stýrir nú eigin rannsóknarhópi við Sainsbury Laboratory, hefur þróað ástralska innfædda hibiscus, Feneyjarmallow (Hibiscus trionum), sem nýja fyrirmyndartegund til að reyna að skilja hvernig og hvenær þessi nanóbygging þróast.
„Upphaflegt líkan okkar spáði því að hversu mikið frumur vaxa og hversu mikið naglabönd þær búa til væru lykilþættir sem stjórnuðu myndun rákanna,“ sagði Dr. Moyroud, „en þegar við byrjuðum að prófa líkanið með því að nota tilraunastarf í Feneyjum mallow komumst við að því að myndun þeirra er líka mjög háð efnafræði naglalaga, sem hefur áhrif á hvernig naglaböndin bregðast við kröftum sem valda buckling.“
„Næsta spurning sem við viljum kanna er hvernig mismunandi efnafræði getur breytt vélrænni eiginleikum naglabandsins, sem nanóbyggingarefnis. Það kann að vera að mismunandi efnasamsetning leiði til naglabands með mismunandi arkitektúr eða með mismunandi stífleika og þar af leiðandi mismunandi leiðir til að bregðast við kröftum sem frumur verða fyrir þegar blaðið stækkar.
Þetta verkefni leiddi í ljós að það er blanda af ferlum sem vinna saman og leyfa plöntum að móta yfirborð sitt. Dr. Moyroud bætti við: „Plöntur eru ægilegir efnafræðingar og þessar niðurstöður sýna hvernig þær geta nákvæmlega stillt efnafræði naglalaga sinna til að framleiða mismunandi áferð þvert á blöðin. Mynstur sem myndast á smásæjum mælikvarða geta gegnt ýmsum hlutverkum, allt frá samskiptum við frævunaraðila til varnar gegn grasbítum eða sýkla.
„Þau eru sláandi dæmi um þróunarlega fjölbreytni og með því að sameina tilraunir og reiknilíkön erum við farin að skilja aðeins betur hvernig plöntur geta búið þær til.
Niðurstöðurnar verða birtar í Current Biology.
„Þessi innsýn er einnig gagnleg fyrir líffræðilegan fjölbreytileika og náttúruverndarstarf vegna þess að þær hjálpa til við að útskýra hvernig plöntur hafa samskipti við umhverfi sitt,“ sagði prófessor Glover, sem einnig er forstöðumaður grasagarðs Cambridge háskólans, þar sem rannsakendur tóku fyrst eftir ljómandi blómum Feneyjar mallow.
„Til dæmis geta tegundir sem eru náskyldar en vaxa á mismunandi landsvæðum haft mjög mismunandi mynstrum á blómblöðum. Skilningur á því hvers vegna blómstrandi er breytilegt og hvernig þetta gæti haft áhrif á sambandið milli plantnanna og frævunaraðila þeirra gæti hjálpað til við að upplýsa betur stefnu í framtíðarstjórnun umhverfiskerfa og verndun líffræðilegs fjölbreytileika.
Rannsakað hvað knýr 3D blómamynstur
Rannsakendur fóru skreflega í rannsóknirnar. Þeir fylgdust fyrst með þróun blómablaða og tóku eftir því að naglabandamynstrið birtist þegar frumur lengjast, sem bendir til þess að vöxtur hafi verið mikilvægur. Þeir ákváðu síðan hvort mælingar á eðlisfræðilegum breytum tengdum vexti, eins og frumuþenslu og naglalagaþykkt, gætu sagt nægilega fyrir um mynstur sem sést og komust að því að þeir gátu það ekki. Þeir stigu síðan skref aftur á bak til að reyna að greina hvað vantaði.
Eiginleikar efnis, hvort sem það er ólífrænt eða framleitt af lifandi frumum eins og naglabandinu, eru líklega háðir efnafræðilegu eðli þessa efnis. Með þetta í huga ákváðu vísindamennirnir að skoða efnafræði naglalaga og komust að því að þetta er í raun ráðandi þáttur. Til að gera þetta notuðu þeir fyrst nýja aðferð úr efnafræðisviðinu til að greina samsetningu naglabandsins á mjög ákveðnum stöðum þvert yfir krónublaðið. Þetta sýndi að blaðasvæði með andstæða áferð (slétt eða rákótt) eru einnig mismunandi í efnafræði yfirborðs þeirra.
Í samanburði við slétt naglabönd komust þeir að því að ráklaga naglaböndin innihalda mikið magn af díhýdroxý-palmitínsýru og vaxi og lítið magn af fenólsamböndum. Til að kanna hvort efnafræði naglalaga væri örugglega mikilvæg voru þeir síðan frumkvöðlar fyrir erfðabreytri nálgun í Hibiscus til að breyta efnafræði naglalaga beint í plöntunum, með því að nota gen svipað þeim sem vitað er að stjórna framleiðslu á naglaböndum í annarri líkanplöntu, Arabidopsis.
Þetta sýndi að hægt er að breyta áferð á naglaböndum, án þess að breyta frumuvexti, einfaldlega með því að breyta samsetningu naglalaga. Hvernig getur efnafræði naglalaga stjórnað þrívíddarfellingu þess? Rannsakendur telja að breyting á naglaböndum efnafræði hefur áhrif á vélræna eiginleika naglabandsins þar sem, jafnvel þegar teygt var með sérstöku tæki, héldust erfðabreytt blómblöð með sléttum naglaböndum slétt, ólíkt þeim frá villtum plöntum.