Cambridge-Forscher haben gezeigt, dass Pflanzen die Chemie ihrer Blütenblattoberfläche regulieren können, um schillernde Signale zu erzeugen, die für Bienen sichtbar sind.
Während die meisten Blumen Pigmente produzieren, die bunt erscheinen und als visuelle Hinweise für Bestäuber dienen, erzeugen einige Blumen auch mikroskopisch kleine dreidimensionale Muster auf ihren Blütenblattoberflächen. Diese parallelen Streifen reflektieren bestimmte Lichtwellenlängen, um einen schillernden optischen Effekt zu erzeugen, der für das menschliche Auge nicht immer sichtbar ist, aber für Bienen sichtbar ist.
Es gibt viel Konkurrenz um die Aufmerksamkeit von Bestäubern, und angesichts der Tatsache, dass 35 % der weltweiten Ernten auf tierische Bestäuber angewiesen sind, könnte das Verständnis, wie Pflanzen Blütenmuster erzeugen, die Bestäubern gefallen, für die Ausrichtung zukünftiger Forschung und Politik in den Bereichen Landwirtschaft, Biodiversität und Naturschutz von Bedeutung sein.
Forschungen unter der Leitung des Teams von Professor Beverley Glover am Department of Plant Sciences in Cambridge haben gezeigt, dass die Musterung von Blütenblättern mehr zu bieten hat, als man denkt. Frühere Ergebnisse zeigten, dass mechanisches Knicken des dünnen, schützenden Kutikula Schicht auf der Oberfläche der jungen wachsenden Blütenblätter könnte die Bildung mikroskopisch kleiner Grate auslösen.
Diese halbgeordneten Grate fungieren als Beugungsgitter, die verschiedene Lichtwellenlängen reflektieren, um einen schwach schillernden blauen Halo-Effekt im blauen UV-Spektrum zu erzeugen, den Hummeln sehen können. Warum sich diese Streifen jedoch nur in bestimmten Blüten oder sogar nur auf bestimmten Teilen der Blütenblätter bilden, wurde nicht verstanden.
Edwige Moyroud, die diese Forschung im Labor von Professor Glover begann und jetzt ihre eigene Forschungsgruppe am Sainsbury Laboratory leitet, hat den australischen einheimischen Hibiskus, die Venedig-Malve (Hibiscus trionum), als neue Modellart entwickelt, um zu versuchen zu verstehen, wie und wann diese Nanostrukturen entstehen.
„Unser anfängliches Modell sagte voraus, dass das Wachstum der Zellen und die Bildung der Kutikula Schlüsselfaktoren für die Bildung von Streifen waren“, sagte Dr. Moyroud, „aber als wir anfingen, das Modell zu testen experimentelle Arbeit Bei der Venezianischen Malve fanden wir heraus, dass ihre Bildung auch stark von der Chemie der Kutikula abhängt, die beeinflusst, wie die Kutikula auf die Kräfte reagiert, die das Knicken verursachen.“
„Die nächste Frage, die wir untersuchen wollen, ist, wie unterschiedliche Chemien die mechanischen Eigenschaften der Kutikula als Material zum Aufbau von Nanostrukturen verändern können. Es kann sein, dass unterschiedliche chemische Zusammensetzungen zu einer Kutikula mit unterschiedlicher Architektur oder mit unterschiedlicher Steifheit und damit zu unterschiedlichen Reaktionen auf die Kräfte führen, denen die Zellen ausgesetzt sind, wenn das Blütenblatt wächst.“
Dieses Projekt hat gezeigt, dass es eine Kombination von Prozessen gibt, die zusammenarbeiten und es Pflanzen ermöglichen, ihre Oberflächen zu formen. Dr. Moyroud fügte hinzu: „Pflanzen sind hervorragende Chemiker und diese Ergebnisse veranschaulichen, wie sie die Chemie ihrer Kutikula genau abstimmen können, um unterschiedliche Texturen über ihre Blütenblätter hinweg zu erzeugen. Auf mikroskopischer Ebene gebildete Muster können eine Reihe von Funktionen erfüllen, von der Kommunikation mit Bestäubern bis zur Abwehr von Pflanzenfressern oder Krankheitserregern.“
„Sie sind eindrucksvolle Beispiele evolutionärer Diversifizierung und durch die Kombination von Experimenten und Computermodellen beginnen wir ein bisschen besser zu verstehen, wie Pflanzen sie herstellen können.“
Die Ergebnisse werden in veröffentlicht Current Biology.
„Diese Erkenntnisse sind auch nützlich für die Biodiversität und Naturschutzarbeit weil sie helfen zu erklären, wie Pflanzen mit ihrer Umgebung interagieren“, sagte Professor Glover, der auch Direktor des Botanischen Gartens der Universität Cambridge ist, in dem die Forscher zum ersten Mal die schillernden Blüten der Venedig-Malve bemerkten.
„Zum Beispiel können eng verwandte Arten, die in verschiedenen geografischen Regionen wachsen, sehr unterschiedliche Blütenblattmuster haben. Zu verstehen, warum die Musterung der Blütenblätter variiert und wie sich dies auf die Beziehung zwischen den Pflanzen und ihren Bestäubern auswirken könnte, könnte dazu beitragen, die Politik für das zukünftige Management von Umweltsystemen und den Erhalt der Biodiversität besser zu informieren.“
Untersuchen, was die Musterung von 3D-Blütenblättern antreibt
Bei den Untersuchungen gingen die Forscher schrittweise vor. Sie beobachteten zuerst die Entwicklung der Blütenblätter und stellten fest, dass die Kutikulamuster erscheinen, wenn sich die Zellen verlängern, was darauf hindeutet, dass das Wachstum wichtig war. Dann stellten sie fest, ob die Messung physikalischer Parameter im Zusammenhang mit dem Wachstum, wie z. B. Zellausdehnung und Kutikuladicke, die beobachteten Muster angemessen vorhersagen konnte, und stellten fest, dass dies nicht möglich war. Dann traten sie einen Schritt zurück, um herauszufinden, was fehlte.
Die Eigenschaften eines Materials, ob anorganisch oder von lebenden Zellen wie der Kutikula produziert, hängen wahrscheinlich von der chemischen Natur dieses Materials ab. Vor diesem Hintergrund entschieden sich die Forscher, die Chemie der Kutikula zu untersuchen, und stellten fest, dass dies tatsächlich ein steuernder Faktor ist. Dazu verwendeten sie zunächst eine neue Methode aus der Chemie, um die Zusammensetzung der Kutikula an ganz bestimmten Stellen über das Blütenblatt zu analysieren. Dies zeigte, dass sich Blütenblattregionen mit kontrastierenden Texturen (glatt oder gestreift) auch in der Chemie ihrer Oberfläche unterscheiden.
Im Vergleich zur glatten Kutikula stellten sie fest, dass die gestreifte Kutikula einen hohen Gehalt an Dihydroxypalmitinsäure und Wachsen und einen geringen Gehalt an Phenolverbindungen aufweist. Um zu testen, ob die Kutikula-Chemie tatsächlich wichtig ist, haben sie dann einen transgenen Ansatz bei Hibiscus entwickelt, um die Kutikula-Chemie direkt in den Pflanzen zu verändern, indem sie Gene verwenden, die denen ähneln, von denen bekannt ist, dass sie die Produktion von Kutikula-Molekülen in einer anderen Modellpflanze, Arabidopsis, kontrollieren.
Dies zeigte, dass die Textur der Kutikula modifiziert werden kann, ohne das Zellwachstum zu verändern, indem man einfach die Zusammensetzung der Kutikula modifiziert. Wie kann die Chemie der Kutikula ihre 3D-Faltung steuern? Die Forscher vermuten eine Veränderung der Nagelhaut Chemie wirkt sich auf die mechanischen Eigenschaften der Kutikula aus, da transgene Blütenblätter mit glatter Kutikula auch bei Dehnung mit einem speziellen Gerät glatt blieben, im Gegensatz zu denen von Wildtyppflanzen.