劍橋研究人員表明,植物可以調節花瓣表面的化學成分,從而產生蜜蜂可見的虹彩信號。
雖然大多數花朵會產生看起來五顏六色的色素,並作為傳粉者的視覺提示,但有些花朵也會在其花瓣表面形成微觀三維圖案。 這些平行條紋反射特定波長的光,產生虹彩光學效果,這種效果人眼並不總是可見,但蜜蜂卻可以看到。
傳粉者的注意力競爭激烈——鑑於世界上 35% 的作物依賴動物傳粉者——了解植物如何製作取悅傳粉者的花瓣圖案對於指導未來農業、生物多樣性和保護方面的研究和政策可能具有重要意義。
由劍橋大學植物科學系貝弗利·格洛弗教授的團隊領導的研究表明,花瓣的圖案遠不止看上去那麼簡單。 以前的結果表明,薄的、保護性的機械屈曲 表皮 年輕生長的花瓣表面上的一層可能會引發微脊的形成。
這些半有序的脊充當衍射光柵,反射不同波長的光,在大黃蜂可以看到的藍紫外光譜中產生微弱的彩虹色藍色光暈效果。 然而,為什麼這些條紋只在某些花中形成,甚至只在花瓣的某些部分形成,尚不清楚。
Edwige Moyroud 在格洛弗教授的實驗室開始這項研究,現在在塞恩斯伯里實驗室領導她自己的研究小組,她開發了澳大利亞本土芙蓉,威尼斯錦葵 (Hibiscus trionum),作為一種新的模式物種,試圖了解如何以及何時這些納米結構發展。
“我們最初的模型預測,細胞生長的數量和這些細胞產生的角質層數量是控制條紋形成的關鍵因素,”Moyroud 博士說,“但是當我們開始使用測試模型時 實驗工作 在威尼斯錦葵中,我們發現它們的形成也高度依賴於角質層化學,這會影響角質層對導致屈曲的力的反應。”
“我們要探索的下一個問題是不同的化學物質如何改變角質層作為納米結構構建材料的機械性能。 可能是不同的化學成分導致角質層具有不同的結構或不同的剛度,因此在花瓣生長時對細胞所受力的反應方式不同。”
該項目揭示了多種過程的結合,它們共同作用並允許植物塑造其表面。 Moyroud 博士補充說:“植物是令人敬畏的化學家,這些結果說明了它們如何精確調整表皮的化學成分,從而在花瓣上產生不同的紋理。 在微觀尺度上形成的模式可以實現一系列功能,從與傳粉者的交流到防禦食草動物或病原體。”
“它們是進化多樣化的顯著例子,通過結合實驗和計算模型,我們開始更好地理解植物如何製造它們。”
研究結果將發表在 “當代生物學”.
“這些見解也對生物多樣性和 保護工作 因為它們有助於解釋植物如何與環境相互作用。
“例如,密切相關但生長在不同地理區域的物種可能具有非常不同的花瓣圖案。 了解花瓣拍打變化的原因以及這可能如何影響植物與其傳粉者之間的關係,有助於更好地為未來環境系統管理和生物多樣性保護的政策提供信息。”
研究驅動 3D 花瓣圖案形成的因素
研究人員採取了循序漸進的方法進行調查。 他們首先觀察了花瓣的發育,並註意到當細胞伸長時會出現角質層圖案,這表明生長很重要。 然後他們確定測量與生長相關的物理參數,如細胞膨脹和角質層厚度,是否可以充分預測觀察到的模式,並發現他們不能。 然後他們後退一步,試圖找出丟失的東西。
一種材料的特性,無論是無機的還是由像表皮這樣的活細胞產生的,很可能取決於這種材料的化學性質。 考慮到這一點,研究人員決定研究角質層化學,發現這確實是一個控制因素。 為此,他們首先使用化學領域的一種新方法來分析花瓣上非常特定點的角質層成分。 這表明具有對比紋理(光滑或條紋)的花瓣區域的表面化學成分也不同。
與光滑的角質層相比,他們發現有條紋的角質層含有高水平的二羥基棕櫚酸和蠟,以及低水平的酚類化合物。 為了測試角質層化學是否真的很重要,他們隨後在木槿中開創了一種轉基因方法,直接改變植物中的角質層化學,使用與已知控制不同模式植物擬南芥中角質層分子產生的基因相似的基因。
這表明可以在不改變細胞生長的情況下,簡單地通過改變角質層組成來改變角質層質地。 角質層化學如何控制其 3D 折疊? 研究人員認為,角質層的變化 化學 影響角質層的機械性能,因為即使使用特殊設備拉伸,具有光滑角質層的轉基因花瓣仍保持光滑,這與野生型植物的花瓣不同。