חוקרי קיימברידג' הראו שצמחים יכולים לווסת את הכימיה של פני הכותרת שלהם כדי ליצור אותות ססגוני הנראים לדבורים.
בעוד שרוב הפרחים מייצרים פיגמנטים שנראים צבעוניים ופועלים כרמז חזותי למאביקים, חלק מהפרחים יוצרים גם דפוסים תלת מימדיים מיקרוסקופיים על משטחי הכותרת שלהם. פסים מקבילים אלה משקפים אורכי גל מסוימים של אור כדי לייצר אפקט אופטי ססגוני שלא תמיד נראה לעיניים אנושיות, אך עם זאת גלוי לדבורים.
יש תחרות רבה על תשומת הלב מצד המאביקים, ובהתחשב בעובדה ש-35% מהיבולים בעולם מסתמכים על מאביקים של בעלי חיים - ההבנה כיצד צמחים יוצרים דפוסי עלי כותרת המשמחים מאביקים עשויה להיות משמעותית להנחיית מחקר ומדיניות עתידית בחקלאות, במגוון ביולוגי ושימור.
מחקר בראשות צוותו של פרופסור בוורלי גלובר במחלקה למדעי הצמח בקיימברידג' גילה שיש יותר בדפוסי עלי כותרת ממה שנראה לעין. תוצאות קודמות הצביעו על כיבוש מכאני של הדק, מגן לציפורן שכבה על פני השטח של עלי הכותרת הצעירים הגדלים עלולה לעורר היווצרות של רכסים מיקרוסקופיים.
רכסים מסודרים למחצה הללו פועלים כרשתות עקיפה המשקפות אורכי גל שונים של אור כדי ליצור אפקט הילה כחולה ססגונית חלשה בספקטרום ה-UV הכחול שדבורי הבומבוס יכולות לראות. עם זאת, לא הובנה מדוע הפסים הללו נוצרים רק בפרחים מסוימים או אפילו רק בחלקים מסוימים של עלי הכותרת.
אדוויג מוירו, שהחלה את המחקר הזה במעבדתו של פרופסור גלובר וכעת מובילה קבוצת מחקר משלה במעבדת סיינסברי, פיתחה את ההיביסקוס המקומי האוסטרלי, חלמית ונציה (Hibiscus trionum), כמין מודל חדש כדי לנסות להבין איך ומתי. הננו-מבנים הללו מתפתחים.
"המודל הראשוני שלנו חזה שכמות התאים גדלים וכמה לציפורן התאים האלה הם גורמי מפתח השולטים על היווצרות הפסים", אמר ד"ר מוירו, "אבל כשהתחלנו לבדוק את המודל באמצעות עבודה ניסיונית בחלמית של ונציה גילינו שהיווצרותם תלויה מאוד גם בכימיה של הציפורן, מה שמשפיע על האופן שבו הציפורן מגיבה לכוחות הגורמים לנשירה".
"השאלה הבאה שאנו רוצים לחקור היא כיצד כימיות שונות יכולות לשנות את התכונות המכניות של הציפורן, כחומר בונה ננו-מבנה. יכול להיות שהרכבים כימיים שונים מביאים לציפורן עם ארכיטקטורה שונה או עם קשיחות שונה ומכאן דרכים שונות להגיב לכוחות שחווים תאים עם גדילת הכותרת".
פרויקט זה חשף שיש שילוב של תהליכים הפועלים יחד ומאפשרים לצמחים לעצב את פני השטח שלהם. ד"ר מוירו הוסיף, "צמחים הם כימאים אדירים והתוצאות הללו ממחישות כיצד הם יכולים לכוון במדויק את הכימיה של ציפורן הציפורן שלהם כדי לייצר מרקמים שונים על פני עלי הכותרת שלהם. דפוסים הנוצרים בקנה מידה מיקרוסקופי יכולים למלא מגוון פונקציות, החל מתקשורת עם מאביקים ועד להגנה מפני אוכלי עשב או פתוגנים".
"אלה דוגמאות בולטות לגיוון אבולוציוני ועל ידי שילוב של ניסויים ומודלים חישוביים אנחנו מתחילים להבין קצת יותר טוב איך צמחים יכולים לייצר אותם."
הממצאים יפורסמו ב ביולוגיה נוכחית.
"תובנות אלו מועילות גם למגוון ביולוגי ו עבודות שימור כי הם עוזרים להסביר כיצד צמחים מקיימים אינטראקציה עם הסביבה שלהם", אמר פרופסור גלובר, שהוא גם מנהל הגן הבוטני של אוניברסיטת קיימברידג', שבו הבחינו החוקרים לראשונה בפרחים הססגניים של חלמית ונציה.
"לדוגמה, למינים שקשורים זה לזה אבל שגדלים באזורים גיאוגרפיים שונים יכולים להיות דפוסי עלי כותרת שונים מאוד. הבנה מדוע ניגודיות עלי הכותרת משתנה וכיצד זה עשוי להשפיע על היחסים בין הצמחים למאביקים שלהם יכולה לעזור ליידע טוב יותר מדיניות בניהול עתידי של מערכות סביבתיות ושימור המגוון הביולוגי."
חוקרים מה מניע את דפוסי עלי הכותרת בתלת מימד
החוקרים נקטו גישה צעד צעד לחקירות. הם הבחינו לראשונה בהתפתחות עלי הכותרת והבחינו שדפוסי הציפורן מופיעים כאשר תאים מתארכים, מה שמעיד על כך שצמיחה חשובה. לאחר מכן הם קבעו אם מדידת פרמטרים פיזיים הקשורים לגדילה, כגון התרחבות תאים ועובי ציפורן הציפורן, יכולה לחזות בצורה מספקת את הדפוסים שנצפו, וגילו שהם לא יכולים. לאחר מכן הם צעדו צעד אחורה כדי לנסות לזהות מה חסר.
תכונותיו של חומר, בין אם הוא אורגני או מיוצר על ידי תאים חיים כמו הציפורן, עשויות להיות תלויות בטבע הכימי של חומר זה. מתוך מחשבה על כך, החוקרים החליטו להסתכל על כימיה לציפורן, וגילו שאכן, זהו גורם שולט. לשם כך, הם השתמשו תחילה בשיטה חדשה מתחום הכימיה כדי לנתח את הרכב הקוטיקולה בנקודות מאוד ספציפיות על פני עלה הכותרת. זה הראה כי אזורי עלי כותרת בעלי טקסטורות מנוגדות (חלקים או מפוספסים) נבדלים גם הם בכימיה של פני השטח שלהם.
בהשוואה לציפורן חלקה, הם גילו שלציפורן המפוספסת יש רמות גבוהות של חומצה דיהידרוקסי-פלמיטית ושעווה ורמות נמוכות של תרכובות פנוליות. כדי לבדוק אם כימיה לציפורן אכן הייתה חשובה, הם פתחו אז בגישה טרנסגנית בהיביסקוס לשינוי כימיית הציפורן ישירות בצמחים, תוך שימוש בגנים דומים לאלו שידועים כשולטים בייצור מולקולות לציפורן בצמח דגם אחר, ארבידופסיס.
זה הראה שניתן לשנות את מרקם הציפורן מבלי לשנות את צמיחת התאים, פשוט על ידי שינוי הרכב הציפורן. כיצד יכולה כימיה לציפורן לשלוט בקיפול התלת מימד שלה? החוקרים חושבים ששינוי בציפורן כימיה משפיע על התכונות המכניות של הציפורן, שכן, גם כאשר נמתחו באמצעות מכשיר מיוחד, עלי כותרת מהונדסים עם ציפורן חלקה נותרו חלקים, בניגוד לאלה מצמחי בר.