Badanie pokazuje, że kwiaty hibiskusa wykorzystują z góry ustalony wzór płatków, aby przyciągnąć pszczoły, które wolą większe dziesiątki. Wzorce te powstają na wczesnym etapie rozwoju płatka i odgrywają kluczową rolę w wydajności zapylania rośliny i powodzeniu ewolucyjnym.
Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge Laboratorium Sainsbury’ego odkryli, że kwiaty hibiskusa posiadają niewidoczny wzór, ustalony na wczesnym etapie rozwoju, który określa wielkość tarczy na ich płatkach – kluczowy wzór, który znacząco wpływa na zdolność kwiatu do przyciągania zapylających pszczół.
Badanie, opublikowane niedawno w Postęp naukipokazuje również, że pszczoły wolą większe krążki od mniejszych i latają o 25% szybciej pomiędzy krążkami sztucznych kwiatów z większymi krążkami, co potencjalnie zwiększa wydajność zarówno dla pszczół, jak i kwiatów.
Badania eksperymentalne dotyczące wzorów kwiatów hibiskusa
Wzory kwiatów pomagają poprowadzić owady, takie jak pszczoły, do środka kwiatu, gdzie czeka na nich nektar i pyłek, zwiększając szanse rośliny na pomyślne zapylenie. Pomimo ich znaczenia zaskakująco niewiele wiadomo o tym, jak powstają te wzory płatków i jak ewoluowały w ogromną różnorodność, którą widzimy dzisiaj, w tym plamy, paski, żyłki i tarcze.
Wykorzystując małą roślinę hibiskusa jako model, badacze porównali blisko spokrewnione rośliny o tej samej wielkości kwiatów, ale z trzema wzorami w kształcie dziesiątki o różnej wielkości, z ciemnofioletowym środkiem otoczonym białym – H. richardsonii (mały strzał w dziesiątkę zajmujący 4% krążka kwiatowego), H. trionum (średni strzał w dziesiątkę obejmujący 16%) i linia transgeniczna (mutacja). H. trionum (duży strzał w dziesiątkę obejmujący 36%).
Odkryli, że na powierzchni płatka tworzy się wstępny wzór na bardzo wczesnym etapie formowania się kwiatu, na długo przed pojawieniem się widocznego koloru na płatku. Płatek działa jak płótno do malowania numerami, na którym różne obszary mają z góry określone kolory i tekstury na długo przed tym, zanim zaczną się od siebie różnić.
Badania pokazują również, że rośliny mogą precyzyjnie kontrolować i modyfikować kształt i rozmiar tych wzorów, korzystając z wielu mechanizmów, co może mieć konsekwencje dla ewolucji roślin. Dopracowując te projekty, rośliny mogą zyskać przewagę konkurencyjną w konkursie na przyciągnięcie zapylaczy lub może zacząć przyciągać inne gatunek owadów.
Spostrzeżenia na temat wstępnego wzornictwa płatków
„Jeśli cechę można wytworzyć różnymi metodami, daje to ewolucji więcej możliwości jej modyfikacji i stworzenia różnorodności, podobnie jak artysta z dużą paletą lub budowniczy z rozbudowanym zestawem narzędzi. Badając, jak zmieniają się wzory strzałów w dziesiątkę, tak naprawdę staramy się zrozumieć, w jaki sposób natura generuje różnorodność biologiczną” – wyjaśniła dr Edwige Moyroud, która kieruje zespołem badawczym badającym mechanizmy leżące u podstaw powstawania wzorów na płatkach.
Główna autorka, dr Lucie Riglet, zbadała mechanizm powstawania wzorów płatków hibiskusa, analizując rozwój płatków trzech kwiatów hibiskusa, które miały tę samą całkowitą wielkość, ale różne wzory.
Odkryła, że wstępny wzór zaczyna się jako mały obszar w kształcie półksiężyca na długo przed pojawieniem się tarczy na drobnych płatkach o wielkości mniejszej niż 0,2 mm.
Doktor Riglet powiedziała: „Na najwcześniejszym etapie mogliśmy przeprowadzić sekcję, płatki zawierają około 700 komórek i nadal mają zielonkawy kolor, bez widocznego fioletowego pigmentu ani różnic w kształcie i wielkości komórek. Kiedy płatek rozwinie się do 4000 komórek, nadal nie będzie miał żadnego widocznego pigmentu, ale zidentyfikowaliśmy konkretny region, w którym komórki były większe niż ich sąsiednie sąsiadki. To jest wstępny wzór.
Komórki te są ważne, ponieważ wyznaczają położenie granicy „dziesiątki”, czyli linii na płatku, w której kolor zmienia się z fioletowego na biały – bez granicy nie ma „dziesiątki”.
Zaawansowane modelowanie i wpływ na zapylanie
Model obliczeniowy opracowany przez dr Argyrisa Zardilisa dostarczył dalszych spostrzeżeń, a łącząc oba modele obliczeniowe i wyniki eksperymentów, naukowcy wykazali, że hibiskus może zmieniać wymiary hibiskusa na bardzo wczesnym etapie przed utworzeniem wzoru lub modulować wzrost w dowolnym obszarze dziesiątki, poprzez dostosowywanie ekspansji lub podziału komórek na późniejszym etapie rozwoju.
Następnie dr Riglet porównała względną skuteczność wzorów „dziesiątka” w przyciąganiu zapylaczy za pomocą krążków sztucznych kwiatów, które naśladowały trzy różne wymiary „dziesiątki”. Doktor Riglet wyjaśnił: „Pszczoły nie tylko wolały średnie i większe krążki od małych, ale także o 25% szybciej odwiedzały te większe krążki kwiatowe. Żerowanie wymaga dużo energii, więc jeśli pszczoła może odwiedzić 4 kwiaty w tym samym czasie, a nie 3, jest to prawdopodobnie korzystne zarówno dla pszczoły, jak i dla roślin.
Naukowcy porównali względną skuteczność wzorów „dziesiątka” w przyciąganiu zapylaczy za pomocą krążków sztucznych kwiatów, które naśladowały trzy różne wymiary „dziesiątki”. Pszczoły nie tylko wolały średnie i większe tarcze od małych, ale także odwiedzały te większe krążki kwiatowe o 25% szybciej. Źródło: Lucie Riglet
Znaczenie ewolucyjne i przyszłe badania
Naukowcy uważają, że te strategie wstępnego wzornictwa mogą mieć głębokie korzenie ewolucyjne i potencjalnie wpływać na różnorodność wzorów kwiatowych u różnych gatunków. Następnym krokiem zespołu badawczego Edwige Moyroud jest identyfikacja sygnałów odpowiedzialnych za generowanie tych wczesnych wzorców i zbadanie, czy podobne mechanizmy wstępnego tworzenia wzorców są stosowane w innych organach roślin, takich jak liście.
Badania te nie tylko pogłębiają naszą wiedzę na temat biologii roślin, ale także podkreślają zawiłe powiązania między roślinami a ich środowiskiem, pokazując, jak precyzyjne projekty naturalne mogą odgrywać kluczową rolę w przetrwaniu i ewolucji gatunków.
Na przykład, H. richardsoniiktóry ma najmniejszy celny strzał w dziesiątkę z trzech roślin hibiskusa badanych w tych badaniach, jest krytycznie zagrożoną rośliną pochodzącą z Nowej Zelandii. H. trionum występuje również w Nowej Zelandii, ale nie jest uważany za rodzimy i jest szeroko rozpowszechniony w Australii i Europie, a w Ameryce Północnej stał się zachwaszczoną, naturalizowaną rośliną. Konieczne są dodatkowe badania, aby ustalić, czy większy rozmiar tarczy pomaga H. trionum przyciągnąć więcej zapylaczy i zwiększyć jego sukces reprodukcyjny.
Odniesienie: „Oczy hibiskusa ujawniają mechanizmy kontrolujące proporcje wzorów płatków, które wpływają na interakcje roślina-zapylacz”, Lucie Riglet, Argyris Zardilis, Alice LM Fairnie, May T. Yeo, Henrik Jönsson i Edwige Moyroud, 13 września 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp5574
