Pflanzen verwenden chemische Verfahrenstechnik, um optische Geräte herzustellen, die Bienen anlocken

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 deuteten darauf hin, dass ein mechanisches Knicken der dünnen, schützenden Kutikulaschicht auf der Oberfläche der jungen wachsenden Blütenblätter die Bildung mikroskopisch kleiner Grate auslösen könnte.

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 ursprüngliches Modell sagte voraus, dass das Zellwachstum und die Kutikula, die diese Zellen bilden, Schlüsselfaktoren sind, die die Bildung von Streifen kontrollieren“, sagte Dr. Moyroud, „aber als wir begannen, das Modell anhand experimenteller Arbeiten in Venedig-Malve zu testen, fanden wir es 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 Nanostruktur-bildendes Material verändern können. Es kann sein, dass unterschiedliche chemische Zusammensetzungen zu einer Kutikula mit unterschiedlicher Architektur oder mit unterschiedlicher Steifigkeit und damit auf unterschiedliche Weise führen auf die Kräfte zu reagieren, 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 beeindruckende Chemiker, und diese Ergebnisse veranschaulichen, wie sie die Chemie ihrer Kutikula genau abstimmen können, um unterschiedliche Texturen über ihre Blütenblätter hinweg zu erzeugen. Muster, die im mikroskopischen Maßstab gebildet werden, können eine Reihe von Funktionen erfüllen, von der Kommunikation mit Bestäubern bis hin zu.“ 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 Aktuelle Biologie.

„Diese Erkenntnisse sind auch für die Biodiversitäts- und Naturschutzarbeit nützlich, weil sie helfen zu erklären, wie Pflanzen mit ihrer Umwelt interagieren“, sagte Professor Glover, der auch Direktor des Botanischen Gartens der Universität Cambridge ist, in dem die Forscher zum ersten Mal die schillernden Blumen Venedigs bemerkten Malve.

„Zum Beispiel können Arten, die eng verwandt sind, aber in verschiedenen geografischen Regionen wachsen, sehr unterschiedliche Blütenblattmuster haben. Zu verstehen, warum die Blütenblattmuster variieren und wie sich dies auf die Beziehung zwischen den Pflanzen und ihren Bestäubern auswirken könnte, könnte dazu beitragen, die Politik für die zukünftige Bewirtschaftung besser zu informieren von Umweltsystemen und Erhaltung der Biodiversität.“

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, steuern.

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 glauben, dass eine Veränderung der Cuticula-Chemie die mechanischen Eigenschaften der Cuticula beeinflusst, da transgene Blütenblätter mit glatter Cuticula, selbst wenn sie mit einem speziellen Gerät gedehnt wurden, glatt blieben, im Gegensatz zu denen von Wildtyp-Pflanzen.