Исследователи из Кембриджа показали, что растения могут регулировать химический состав поверхности своих лепестков, создавая радужные сигналы, видимые пчелам.

В то время как большинство цветов производят пигменты, которые кажутся красочными и служат визуальным сигналом для опылителей, некоторые цветы также создают микроскопические трехмерные узоры на поверхности своих лепестков. Эти параллельные бороздки отражают определенные длины волн света, создавая радужный оптический эффект, который не всегда виден человеческим глазам, но виден пчелам.

Существует большая конкуренция за внимание со стороны опылителей, и — учитывая, что 35% мировых сельскохозяйственных культур зависят от животных—опылителей - понимание того, как растения создают узоры лепестков, которые нравятся опылителям, может иметь важное значение для направления будущих исследований и политики в области сельского хозяйства, биоразнообразия и охраны природы.

Исследование, проведенное командой профессора Беверли Гловер из Кембриджского отделения наук о растениях, показало, что в структуре лепестков кроется нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Предыдущие результаты показали, что механическое деформирование тонкого защитного слоя кутикулы на поверхности молодых растущих лепестков может спровоцировать образование микроскопических гребней.

Эти полуупорядоченные гребни действуют как дифракционные решетки, которые отражают свет с различными длинами волн, создавая слабый переливающийся эффект голубого ореола в сине-ультрафиолетовом спектре, который могут видеть шмели. Однако, почему эти бороздки образуются только у определенных цветов или даже только на определенных частях лепестков, было непонятно.

Эдвиге Мойруд, которая начала это исследование в лаборатории профессора Гловера и сейчас возглавляет свою собственную исследовательскую группу в лаборатории Сейнсбери, разработала австралийский гибискус Венецианская мальва (Hibiscus trionum) в качестве нового модельного вида, чтобы попытаться понять, как и когда развиваются эти наноструктуры.

"Наша первоначальная модель предсказывала, что количество растущих клеток и объем кутикулы, которые эти клетки производят, были ключевыми факторами, контролирующими образование бороздок, - сказал доктор Мойруд, - но когда мы начали тестировать модель, используя экспериментальную работу в Венеции Мэллоу, мы обнаружили, что их формирование также сильно зависит от химического состава кутикулы, который влияет на то, как кутикула реагирует на силы, вызывающие изгиб."

"Следующий вопрос, который мы хотим исследовать, заключается в том, как различные химические вещества могут изменять механические свойства кутикулы как материала, формирующего наноструктуру. Возможно, разные химические составы приводят к образованию кутикулы с разной архитектурой или с разной жесткостью и, следовательно, с разными способами реагирования на силы, испытываемые клетками по мере роста лепестка".

Этот проект показал, что существует комбинация процессов, работающих вместе и позволяющих растениям формировать свою поверхность. Доктор Мойруд добавил: "Растения - выдающиеся химики, и эти результаты иллюстрируют, как они могут точно настраивать химию своей кутикулы для получения различных текстур на своих лепестках. Узоры, формируемые в микроскопическом масштабе, могут выполнять целый ряд функций, от общения с опылителями до защиты от травоядных или патогенов."

"Они являются поразительными примерами эволюционной диверсификации, и, комбинируя эксперименты и компьютерное моделирование, мы начинаем немного лучше понимать, как растения могут их производить".

Результаты будут опубликованы в журнале Current Biology.

"Эти выводы также полезны для работы по сохранению биоразнообразия, поскольку они помогают объяснить, как растения взаимодействуют с окружающей средой", - сказал профессор Гловер, который также является директором Ботанического сада Кембриджского университета, в котором исследователи впервые заметили переливающиеся цветы Венецианской мальвы.

"Например, виды, которые тесно связаны, но произрастают в разных географических регионах, могут иметь очень разный рисунок лепестков. Понимание того, почему рисунок лепестков меняется и как это может повлиять на взаимоотношения между растениями и их опылителями, могло бы помочь лучше обосновать политику в области будущего управления экологическими системами и сохранения биоразнообразия".

Исследуем, что движет 3D-моделированием лепестков

Исследователи применяли поэтапный подход к исследованиям. Они впервые наблюдали за развитием лепестков и заметили, что узоры кутикулы появляются, когда клетки удлиняются, предполагая, что рост был важен. Затем они определили, может ли измерение физических параметров, связанных с ростом, таких как расширение клеток и толщина кутикулы, адекватно предсказать наблюдаемые закономерности, и обнаружили, что они не могут. Затем они сделали шаг назад, чтобы попытаться определить, чего не хватает.

Свойства материала, будь то неорганический или произведенный живыми клетками, такими как кутикула, вероятно, зависят от химической природы этого материала. Имея это в виду, исследователи решили изучить химию кутикулы и обнаружили, что, действительно, это является контролирующим фактором. Чтобы сделать это, они сначала использовали новый метод из области химии для анализа состава кутикулы в очень специфических точках по всему лепестку. Это показало, что области лепестков с контрастной текстурой (гладкие или полосатые) также отличаются химическим составом своей поверхности.

Сравнивая с гладкой кутикулой, они обнаружили, что полосатая кутикула содержит высокий уровень дигидроксипальмитиновой кислоты и восков и низкий уровень фенольных соединений. Чтобы проверить, действительно ли важен химический состав кутикулы, они впервые применили трансгенный подход к гибискусу для изменения химического состава кутикулы непосредственно в растениях, используя гены, аналогичные тем, которые, как известно, контролируют выработку молекул кутикулы в другом модельном растении, арабидопсисе.

Это показало, что текстуру кутикулы можно изменить, не изменяя рост клеток, просто изменив состав кутикулы. Как химия кутикулы может контролировать ее 3D-складчатость? Исследователи полагают, что изменение химического состава кутикулы влияет на механические свойства кутикулы, поскольку даже при растяжении с помощью специального устройства трансгенные лепестки с гладкой кутикулой оставались гладкими, в отличие от лепестков растений дикого типа.