Onderzoekers van Cambridge hebben aangetoond dat planten de chemie van hun bloembladoppervlak kunnen reguleren om iriserende signalen te creëren die zichtbaar zijn voor bijen.
Terwijl de meeste bloemen pigmenten produceren die er kleurrijk uitzien en dienen als een visuele aanwijzing voor bestuivers, creëren sommige bloemen ook microscopisch kleine driedimensionale patronen op hun bloemblaadjes. Deze parallelle strepen reflecteren bepaalde golflengten van licht om een iriserend optisch effect te produceren dat niet altijd zichtbaar is voor menselijke ogen, maar wel zichtbaar voor bijen.
Er is veel concurrentie om de aandacht van bestuivers en gezien het feit dat 35% van de gewassen in de wereld afhankelijk zijn van dierlijke bestuivers, zou inzicht in hoe planten bloemblaadjespatronen maken die bestuivers behagen, belangrijk kunnen zijn voor het sturen van toekomstig onderzoek en beleid op het gebied van landbouw, biodiversiteit en natuurbehoud.
Onderzoek onder leiding van het team van professor Beverley Glover aan het Cambridge's Department of Plant Sciences onthulde dat bloemblaadjespatronen meer te bieden hebben dan op het eerste gezicht lijkt. Eerdere resultaten gaven aan dat mechanische knik van de dunne, beschermende nagelriem laag op het oppervlak van de jonge groeiende bloembladen kan de vorming van microscopisch kleine richels veroorzaken.
Deze halfgeordende richels fungeren als diffractieroosters die verschillende golflengten van licht reflecteren om een zwak iriserend blauw-halo-effect te creëren in het blauw-UV-spectrum dat hommels kunnen zien. Maar waarom die strepen zich alleen in bepaalde bloemen of zelfs alleen op bepaalde delen van de bloemblaadjes vormen, werd niet begrepen.
Edwige Moyroud, die dit onderzoek startte in het laboratorium van professor Glover en nu haar eigen onderzoeksgroep leidt in het Sainsbury Laboratory, heeft de Australische inheemse hibiscus, Venice mallow (Hibiscus trionum), ontwikkeld als een nieuwe modelsoort om te proberen te begrijpen hoe en wanneer deze nanostructuren ontwikkelen zich.
"Ons aanvankelijke model voorspelde dat hoeveel cellen groeien en hoeveel cuticula die cellen maken sleutelfactoren waren bij het beheersen van de vorming van strepen," zei Dr. Moyroud, "maar toen we het model begonnen te testen met experimenteel werk in Venetië kaasjeskruid ontdekten we dat hun vorming ook sterk afhankelijk is van de chemie van de nagelriem, die van invloed is op hoe de nagelriem reageert op de krachten die knikken veroorzaken.
"De volgende vraag die we willen onderzoeken, is hoe verschillende chemieën de mechanische eigenschappen van de cuticula kunnen veranderen, als materiaal voor het bouwen van nanostructuren. Het kan zijn dat verschillende chemische samenstellingen resulteren in een cuticula met een andere architectuur of met een andere stijfheid en dus verschillende manieren om te reageren op de krachten die door cellen worden ervaren terwijl het bloemblad groeit.”
Dit project onthulde dat er een combinatie is van processen die samenwerken en planten in staat stellen hun oppervlakken te vormen. Dr. Moyroud voegt hieraan toe: “Planten zijn geduchte scheikundigen en deze resultaten illustreren hoe ze de chemie van hun cuticula nauwkeurig kunnen afstemmen om verschillende texturen over hun bloembladen te produceren. Patronen gevormd op microscopische schaal kunnen een scala aan functies vervullen, van communicatie met bestuivers tot verdediging tegen herbivoren of ziekteverwekkers.”
"Het zijn opvallende voorbeelden van evolutionaire diversificatie en door experimenten en computationele modellen te combineren, beginnen we een beetje beter te begrijpen hoe planten ze kunnen fabriceren."
De bevindingen worden gepubliceerd in Current Biology.
“Deze inzichten zijn ook nuttig voor biodiversiteit en instandhoudingswerk omdat ze helpen verklaren hoe planten omgaan met hun omgeving, "zei professor Glover, die ook directeur is van de Cambridge University Botanic Garden, waar de onderzoekers voor het eerst de iriserende bloemen van Venetiaans kaasjeskruid opmerkten.
“Soorten die nauw verwant zijn maar in verschillende geografische regio's groeien, kunnen bijvoorbeeld heel verschillende bloemblaadjespatronen hebben. Begrijpen waarom bloemblaadjespatroon varieert en hoe dit de relatie tussen de planten en hun bestuivers kan beïnvloeden, zou kunnen helpen om beleid beter te informeren voor toekomstig beheer van milieusystemen en behoud van biodiversiteit."
Onderzoeken wat drijft op 3D bloemblaadjespatronen
De onderzoekers pakten de onderzoeken stapsgewijs aan. Ze observeerden eerst de ontwikkeling van bloembladen en merkten op dat de cuticula-patronen verschijnen wanneer cellen langer worden, wat suggereert dat groei belangrijk was. Vervolgens bepaalden ze of het meten van fysieke parameters die verband houden met groei, zoals celuitbreiding en nagelriemdikte, de waargenomen patronen adequaat konden voorspellen, en ontdekten dat ze dat niet konden. Vervolgens deden ze een stap achteruit om te proberen vast te stellen wat er ontbrak.
De eigenschappen van een materiaal, hetzij anorganisch of geproduceerd door levende cellen zoals de cuticula, hangen waarschijnlijk af van de chemische aard van dit materiaal. Met dit in gedachten besloten de onderzoekers om naar de chemie van de nagelriem te kijken en ontdekten dat dit inderdaad een controlerende factor is. Om dit te doen, gebruikten ze eerst een nieuwe methode uit de chemie om de samenstelling van de cuticula op zeer specifieke punten over het bloemblad te analyseren. Hieruit bleek dat bloembladgebieden met contrasterende texturen (glad of gestreept) ook verschillen in de chemie van hun oppervlak.
In vergelijking met een gladde nagelriem ontdekten ze dat de gestreepte nagelriem een hoog gehalte aan dihydroxypalmitinezuur en wassen en een laag gehalte aan fenolische verbindingen heeft. Om te testen of cuticula-chemie inderdaad belangrijk was, pionierden ze vervolgens met een transgene benadering in Hibiscus om de cuticula-chemie direct in de planten te veranderen, met behulp van genen die vergelijkbaar zijn met die waarvan bekend is dat ze de productie van cuticula-moleculen in een andere modelplant, Arabidopsis, regelen.
Hieruit bleek dat de textuur van de nagelriem kan worden gewijzigd, zonder de celgroei te veranderen, simpelweg door de samenstelling van de nagelriem aan te passen. Hoe kan de chemie van de nagelriemen de 3D-vouwing regelen? De onderzoekers denken dat een verandering in de nagelriem chemie beïnvloedt de mechanische eigenschappen van de cuticula, aangezien transgene bloembladen met een gladde cuticula, zelfs wanneer ze werden uitgerekt met een speciaal apparaat, glad bleven, in tegenstelling tot die van wildtype planten.