I ricercatori di Cambridge hanno dimostrato che le piante possono regolare la chimica della superficie dei loro petali per creare segnali iridescenti visibili alle api.
Mentre la maggior parte dei fiori produce pigmenti che appaiono colorati e fungono da segnale visivo per gli impollinatori, alcuni fiori creano anche microscopici motivi tridimensionali sulla superficie dei petali. Queste striature parallele riflettono particolari lunghezze d'onda della luce per produrre un effetto ottico iridescente non sempre visibile agli occhi umani, ma visibile alle api.
C'è molta concorrenza per attirare l'attenzione degli impollinatori e, dato che il 35% delle colture mondiali dipende dagli impollinatori animali, capire come le piante creano modelli di petali che soddisfano gli impollinatori potrebbe essere significativo per dirigere la ricerca e le politiche future in agricoltura, biodiversità e conservazione.
La ricerca condotta dal team del professor Beverley Glover presso il Dipartimento di scienze vegetali di Cambridge ha rivelato che c'è molto di più nel disegno dei petali di quanto sembri. I risultati precedenti hanno indicato che l'instabilità meccanica del sottile, protettivo cuticola strato sulla superficie dei giovani petali in crescita potrebbe innescare la formazione di creste microscopiche.
Queste creste semi-ordinate agiscono come reticoli di diffrazione che riflettono diverse lunghezze d'onda della luce per creare un debole effetto di alone blu iridescente nello spettro blu-UV che i bombi possono vedere. Non si capiva però perché quelle striature si formassero solo in certi fiori o anche solo su certe parti dei petali.
Edwige Moyroud, che ha iniziato questa ricerca nel laboratorio del professor Glover e ora guida il suo gruppo di ricerca presso il Sainsbury Laboratory, ha sviluppato l'ibisco nativo australiano, la malva veneziana (Hibiscus trionum), come una nuova specie modello per cercare di capire come e quando queste nanostrutture si sviluppano.
"Il nostro modello iniziale prevedeva che la quantità di cellule che crescono e la quantità di cuticola prodotta da tali cellule erano fattori chiave che controllavano la formazione di striature", ha affermato il dott. Moyroud, "ma quando abbiamo iniziato a testare il modello utilizzando lavoro sperimentale a Venice mallow abbiamo scoperto che la loro formazione dipende anche fortemente dalla chimica della cuticola, che influenza il modo in cui la cuticola risponde alle forze che causano la deformazione.
“La prossima domanda che vogliamo esplorare è come diverse sostanze chimiche possono modificare le proprietà meccaniche della cuticola, come materiale per la costruzione di nanostrutture. Può darsi che diverse composizioni chimiche si traducano in una cuticola con diversa architettura o con diversa rigidità e quindi diversi modi di reagire alle forze sperimentate dalle cellule mentre il petalo cresce.
Questo progetto ha rivelato che esiste una combinazione di processi che lavorano insieme e consentono alle piante di modellare le loro superfici. Il Dr. Moyroud ha aggiunto: “Le piante sono formidabili chimiche e questi risultati illustrano come possono regolare con precisione la chimica della loro cuticola per produrre trame diverse attraverso i loro petali. I modelli formati su scala microscopica possono svolgere una serie di funzioni, dalla comunicazione con gli impollinatori alla difesa contro erbivori o agenti patogeni».
"Sono esempi sorprendenti di diversificazione evolutiva e combinando esperimenti e modellazione computazionale stiamo iniziando a capire un po' meglio come le piante possono fabbricarli".
I risultati saranno pubblicati in Current Biology.
“Queste intuizioni sono utili anche per la biodiversità e lavori di conservazione perché aiutano a spiegare come le piante interagiscono con il loro ambiente", ha affermato il professor Glover, che è anche direttore del Giardino botanico dell'Università di Cambridge, in cui i ricercatori hanno notato per la prima volta i fiori iridescenti della malva veneziana.
“Ad esempio, le specie che sono strettamente correlate ma che crescono in diverse regioni geografiche possono avere modelli di petali molto diversi. Capire perché il picchiettio dei petali varia e come questo potrebbe influenzare la relazione tra le piante e i loro impollinatori potrebbe aiutare a informare meglio le politiche nella futura gestione dei sistemi ambientali e nella conservazione della biodiversità».
Indagare su ciò che guida la modellazione dei petali 3D
I ricercatori hanno adottato un approccio graduale alle indagini. Per prima cosa hanno osservato lo sviluppo dei petali e hanno notato che i modelli delle cuticole compaiono quando le cellule si allungano, suggerendo che la crescita era importante. Hanno quindi determinato se la misurazione dei parametri fisici relativi alla crescita, come l'espansione cellulare e lo spessore della cuticola, potesse prevedere adeguatamente i modelli osservati e hanno scoperto che non era possibile. Hanno quindi fatto un passo indietro per cercare di identificare ciò che mancava.
Le proprietà di un materiale, inorganico o prodotto da cellule viventi come la cuticola, dipendono probabilmente dalla natura chimica di questo materiale. Con questo in mente, i ricercatori hanno deciso di esaminare la chimica delle cuticole e hanno scoperto che, in effetti, questo è un fattore di controllo. Per fare questo, hanno prima utilizzato un nuovo metodo dal campo della chimica per analizzare la composizione della cuticola in punti molto specifici attraverso il petalo. Ciò ha dimostrato che le regioni dei petali con trame contrastanti (lisce o striate) differiscono anche nella chimica della loro superficie.
Confrontando con la cuticola liscia, hanno scoperto che la cuticola striata ha alti livelli di acido diidrossi-palmitico e cere e bassi livelli di composti fenolici. Per verificare se la chimica della cuticola fosse davvero importante, hanno quindi sperimentato un approccio transgenico in Hibiscus per alterare la chimica della cuticola direttamente nelle piante, utilizzando geni simili a quelli noti per controllare la produzione di molecole della cuticola in una diversa pianta modello, l'Arabidopsis.
Ciò ha dimostrato che la struttura della cuticola può essere modificata, senza modificare la crescita cellulare, semplicemente modificando la composizione della cuticola. In che modo la chimica della cuticola può controllare la sua piegatura 3D? I ricercatori pensano che un cambiamento nella cuticola chimica influisce sulle proprietà meccaniche della cuticola poiché, anche se stirati con uno speciale dispositivo, i petali transgenici con cuticola liscia sono rimasti lisci, a differenza di quelli delle piante selvatiche.