Οι ερευνητές του Cambridge έχουν δείξει ότι τα φυτά μπορούν να ρυθμίσουν τη χημεία της επιφάνειας των πετάλων τους για να δημιουργήσουν ιριδίζοντα σήματα ορατά στις μέλισσες.
Ενώ τα περισσότερα λουλούδια παράγουν χρωστικές ουσίες που φαίνονται πολύχρωμες και λειτουργούν ως οπτικό σύνθημα στους επικονιαστές, ορισμένα λουλούδια δημιουργούν επίσης μικροσκοπικά τρισδιάστατα σχέδια στις επιφάνειες των πετάλων τους. Αυτές οι παράλληλες ραβδώσεις αντανακλούν συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός για να παράγουν ένα ιριδίζον οπτικό αποτέλεσμα που δεν είναι πάντα ορατό στα ανθρώπινα μάτια, αλλά ορατό στις μέλισσες.
Υπάρχει μεγάλος ανταγωνισμός για την προσοχή από τους επικονιαστές και —δεδομένου ότι το 35% των παγκόσμιων καλλιεργειών βασίζεται σε επικονιαστές ζώων— η κατανόηση του πώς τα φυτά δημιουργούν σχέδια πετάλων που ευχαριστούν τους επικονιαστές θα μπορούσε να είναι σημαντική για την κατεύθυνση της μελλοντικής έρευνας και πολιτικών στη γεωργία, τη βιοποικιλότητα και τη διατήρηση.
Έρευνα με επικεφαλής την ομάδα του καθηγητή Beverley Glover στο Τμήμα Φυτικών Επιστημών του Κέμπριτζ αποκάλυψε ότι υπάρχουν περισσότερα στο μοτίβο των πετάλων από όσα φαίνονται στο μάτι. Προηγούμενα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο μηχανικός λυγισμός του λεπτού, προστατευτικού επιδερμίδα στρώμα στην επιφάνεια των νεαρών αναπτυσσόμενων πετάλων θα μπορούσε να προκαλέσει το σχηματισμό μικροσκοπικών ραβδώσεων.
Αυτές οι ημι-διατεταγμένες κορυφογραμμές λειτουργούν ως πλέγματα περίθλασης που αντανακλούν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός για να δημιουργήσουν ένα αδύναμο ιριδίζον φαινόμενο μπλε-αλο στο φάσμα μπλε-UV που μπορούν να δουν οι βομβίνοι. Ωστόσο, το γιατί αυτές οι ραβδώσεις σχηματίζονται μόνο σε ορισμένα λουλούδια ή ακόμη και μόνο σε ορισμένα μέρη των πετάλων δεν έγινε κατανοητό.
Η Edwige Moyroud, η οποία ξεκίνησε αυτήν την έρευνα στο εργαστήριο του καθηγητή Glover και τώρα ηγείται της δικής της ερευνητικής ομάδας στο εργαστήριο Sainsbury, ανέπτυξε τον αυστραλιανό ιθαγενή ιβίσκο, τη μολόχα της Βενετίας (Hibiscus trionum), ως ένα νέο πρότυπο είδος για να προσπαθήσει να καταλάβει πώς και πότε αυτές οι νανοδομές αναπτύσσονται.
«Το αρχικό μας μοντέλο προέβλεψε ότι πόσα κύτταρα αναπτύσσονται και πόση επιδερμίδα δημιουργούν αυτά τα κύτταρα ήταν βασικοί παράγοντες που ελέγχουν τον σχηματισμό ραβδώσεων», είπε ο Δρ Moyroud, «αλλά όταν αρχίσαμε να δοκιμάζουμε το μοντέλο χρησιμοποιώντας πειραματική εργασία στη μολόχα της Βενετίας ανακαλύψαμε ότι ο σχηματισμός τους εξαρτάται επίσης σε μεγάλο βαθμό από τη χημεία της επιδερμίδας, η οποία επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο η επιδερμίδα ανταποκρίνεται στις δυνάμεις που προκαλούν λυγισμό».
«Η επόμενη ερώτηση που θέλουμε να διερευνήσουμε είναι πώς διαφορετικές χημικές ουσίες μπορούν να αλλάξουν τις μηχανικές ιδιότητες της επιδερμίδας, ως δομικό υλικό νανοδομής. Μπορεί διαφορετικές χημικές συνθέσεις να έχουν ως αποτέλεσμα μια επιδερμίδα με διαφορετική αρχιτεκτονική ή με διαφορετική ακαμψία και ως εκ τούτου διαφορετικούς τρόπους αντίδρασης στις δυνάμεις που αντιμετωπίζουν τα κύτταρα καθώς μεγαλώνει το πέταλο».
Αυτό το έργο αποκάλυψε ότι υπάρχει ένας συνδυασμός διαδικασιών που συνεργάζονται και επιτρέπουν στα φυτά να διαμορφώσουν τις επιφάνειές τους. Ο Δρ Moyroud πρόσθεσε, «Τα φυτά είναι τρομεροί χημικοί και αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν πώς μπορούν να συντονίσουν με ακρίβεια τη χημεία της επιδερμίδας τους για να παράγουν διαφορετικές υφές στα πέταλά τους. Τα μοτίβα που σχηματίζονται σε μικροσκοπική κλίμακα μπορούν να εκπληρώσουν μια σειρά λειτουργιών, από την επικοινωνία με τους επικονιαστές μέχρι την άμυνα έναντι φυτοφάγων ή παθογόνων.
«Είναι εντυπωσιακά παραδείγματα εξελικτικής διαφοροποίησης και συνδυάζοντας πειράματα και υπολογιστική μοντελοποίηση αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε λίγο καλύτερα πώς τα φυτά μπορούν να τα κατασκευάσουν».
Τα ευρήματα θα δημοσιευθούν στο Current Biology.
«Αυτές οι γνώσεις είναι επίσης χρήσιμες για τη βιοποικιλότητα και εργασίες συντήρησης γιατί βοηθούν να εξηγηθεί πώς αλληλεπιδρούν τα φυτά με το περιβάλλον τους», είπε ο καθηγητής Γκλόβερ, ο οποίος είναι επίσης διευθυντής του Βοτανικού Κήπου του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, στον οποίο οι ερευνητές παρατήρησαν για πρώτη φορά τα ιριδίζοντα άνθη της μολόχας Βενετίας.
«Για παράδειγμα, είδη που συνδέονται στενά αλλά αναπτύσσονται σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικά μοτίβα πετάλων. Η κατανόηση του γιατί το pattering των πετάλων ποικίλλει και πώς αυτό μπορεί να επηρεάσει τη σχέση μεταξύ των φυτών και των επικονιαστών τους θα μπορούσε να βοηθήσει στην καλύτερη ενημέρωση των πολιτικών για τη μελλοντική διαχείριση των περιβαλλοντικών συστημάτων και τη διατήρηση της βιοποικιλότητας.»
Διερεύνηση τι οδηγεί το τρισδιάστατο σχέδιο πετάλων
Οι ερευνητές ακολούθησαν μια σταδιακή προσέγγιση στις έρευνες. Παρατήρησαν για πρώτη φορά την ανάπτυξη των πετάλων και παρατήρησαν ότι τα μοτίβα της επιδερμίδας εμφανίζονται όταν τα κύτταρα επιμηκύνονται, υποδηλώνοντας ότι η ανάπτυξη ήταν σημαντική. Στη συνέχεια προσδιόρισαν εάν η μέτρηση των φυσικών παραμέτρων που σχετίζονται με την ανάπτυξη, όπως η επέκταση των κυττάρων και το πάχος της επιδερμίδας, μπορούσαν να προβλέψουν επαρκώς τα μοτίβα που παρατηρήθηκαν και διαπίστωσαν ότι δεν μπορούσαν. Στη συνέχεια έκαναν ένα βήμα προς τα πίσω για να προσπαθήσουν να εντοπίσουν τι έλειπε.
Οι ιδιότητες ενός υλικού, είτε είναι ανόργανο είτε παράγεται από ζωντανά κύτταρα όπως η επιδερμίδα, είναι πιθανό να εξαρτώνται από τη χημική φύση αυτού του υλικού. Έχοντας αυτό κατά νου, οι ερευνητές αποφάσισαν να εξετάσουν τη χημεία της επιδερμίδας και διαπίστωσαν ότι, πράγματι, αυτός είναι ένας παράγοντας ελέγχου. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν αρχικά μια νέα μέθοδο από το πεδίο της χημείας για να αναλύσουν τη σύνθεση της επιδερμίδας σε πολύ συγκεκριμένα σημεία κατά μήκος του πετάλου. Αυτό έδειξε ότι οι περιοχές πετάλων με αντίθετες υφές (λείες ή ραβδωτές) διαφέρουν επίσης ως προς τη χημεία της επιφάνειάς τους.
Σε σύγκριση με την λεία επιδερμίδα, βρήκαν ότι η γραμμωτή επιδερμίδα έχει υψηλά επίπεδα διυδροξυ-παλμιτικού οξέος και κεριών και χαμηλά επίπεδα φαινολικών ενώσεων. Για να ελέγξουν αν η χημεία της επιδερμίδας ήταν πράγματι σημαντική, στη συνέχεια πρωτοστάτησαν σε μια διαγονιδιακή προσέγγιση στον Hibiscus για να αλλάξει τη χημεία της επιδερμίδας απευθείας στα φυτά, χρησιμοποιώντας γονίδια παρόμοια με εκείνα που είναι γνωστό ότι ελέγχουν την παραγωγή μορίων επιδερμίδας σε ένα διαφορετικό μοντέλο φυτού, το Arabidopsis.
Αυτό έδειξε ότι η υφή της επιδερμίδας μπορεί να τροποποιηθεί, χωρίς να αλλάξει η κυτταρική ανάπτυξη, απλώς τροποποιώντας τη σύνθεση της επιδερμίδας. Πώς μπορεί η χημεία της επιδερμίδας να ελέγξει την τρισδιάστατη αναδίπλωση της; Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μια αλλαγή στην επιδερμίδα χημεία επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες της επιδερμίδας καθώς, ακόμη και όταν τεντώνονται με χρήση ειδικής συσκευής, τα διαγονιδιακά πέταλα με λεία επιδερμίδα παρέμειναν λεία, σε αντίθεση με εκείνα των φυτών άγριου τύπου.