Penyelidik Cambridge telah menunjukkan bahawa tumbuhan boleh mengawal kimia permukaan kelopak mereka untuk mencipta isyarat warna-warni yang boleh dilihat oleh lebah.
Walaupun kebanyakan bunga menghasilkan pigmen yang kelihatan berwarna-warni dan bertindak sebagai isyarat visual kepada pendebunga, sesetengah bunga juga mencipta corak tiga dimensi mikroskopik pada permukaan kelopaknya. Garisan selari ini mencerminkan panjang gelombang cahaya tertentu untuk menghasilkan kesan optik warni yang tidak selalu dapat dilihat oleh mata manusia, namun dapat dilihat oleh lebah.
Terdapat banyak persaingan untuk mendapatkan perhatian daripada pendebunga dan—memandangkan 35% tanaman dunia bergantung pada pendebunga haiwan—memahami cara tumbuhan membuat corak kelopak yang menggembirakan pendebunga boleh menjadi penting untuk mengarahkan penyelidikan dan dasar masa depan dalam pertanian, kepelbagaian biologi dan pemuliharaan.
Penyelidikan yang diketuai oleh pasukan Profesor Beverley Glover di Jabatan Sains Tumbuhan Cambridge mendedahkan terdapat lebih banyak corak kelopak daripada yang dapat dilihat. Keputusan sebelumnya menunjukkan bahawa lekuk mekanikal nipis, pelindung kutikula lapisan pada permukaan kelopak yang tumbuh muda boleh mencetuskan pembentukan rabung mikroskopik.
Permatang separuh tertib ini bertindak sebagai parut pembelauan yang memantulkan panjang gelombang cahaya yang berbeza untuk menghasilkan kesan halo biru warni yang lemah dalam spektrum biru-UV yang boleh dilihat oleh lebah. Walau bagaimanapun, mengapa jaluran tersebut hanya terbentuk pada bunga tertentu atau hanya pada bahagian tertentu kelopak tidak difahami.
Edwige Moyroud, yang memulakan penyelidikan ini di makmal Profesor Glover dan kini mengetuai kumpulan penyelidikannya sendiri di Makmal Sainsbury, telah membangunkan bunga raya asli Australia, Venice mallow (Hibiscus trionum), sebagai spesies model baharu untuk cuba memahami bagaimana dan bila struktur nano ini berkembang.
"Model awal kami meramalkan bahawa berapa banyak sel yang tumbuh dan berapa banyak kutikula yang dihasilkan oleh sel-sel tersebut adalah faktor utama yang mengawal pembentukan striations," kata Dr. Moyroud, "tetapi apabila kami mula menguji model menggunakan kerja eksperimen di Venice mallow kami mendapati bahawa pembentukan mereka juga sangat bergantung pada kimia kutikula, yang mempengaruhi cara kutikula bertindak balas terhadap daya yang menyebabkan lengkokan.
"Persoalan seterusnya yang ingin kami terokai ialah bagaimana kimia yang berbeza boleh mengubah sifat mekanikal kutikula, sebagai bahan binaan struktur nano. Mungkin komposisi kimia yang berbeza menghasilkan kutikula dengan seni bina yang berbeza atau dengan kekakuan yang berbeza dan dengan itu cara yang berbeza untuk bertindak balas terhadap daya yang dialami oleh sel semasa kelopak tumbuh."
Projek ini mendedahkan bahawa terdapat gabungan proses yang bekerja bersama dan membenarkan tumbuhan membentuk permukaannya. Dr. Moyroud menambah, “Tumbuhan adalah ahli kimia yang menggerunkan dan keputusan ini menggambarkan bagaimana mereka boleh menyesuaikan kimia kutikel mereka dengan tepat untuk menghasilkan tekstur yang berbeza di seluruh kelopaknya. Corak yang terbentuk pada skala mikroskopik boleh memenuhi pelbagai fungsi, daripada komunikasi dengan pendebunga kepada pertahanan terhadap herbivor atau patogen."
"Ia adalah contoh kepelbagaian evolusi yang menarik dan dengan menggabungkan eksperimen dan pemodelan pengiraan kami mula memahami sedikit lebih baik bagaimana tumbuhan boleh mengarangnya."
Penemuan akan diterbitkan dalam Biologi Semasa.
“Pemahaman ini juga berguna untuk kepelbagaian biologi dan kerja pemuliharaan kerana ia membantu menjelaskan bagaimana tumbuhan berinteraksi dengan persekitaran mereka,” kata Profesor Glover, yang juga pengarah Taman Botani Universiti Cambridge, di mana para penyelidik mula-mula melihat bunga berwarna-warni Venice mallow.
“Sebagai contoh, spesies yang berkait rapat tetapi tumbuh di kawasan geografi yang berbeza boleh mempunyai corak kelopak yang sangat berbeza. Memahami mengapa corak kelopak berbeza-beza dan bagaimana ini boleh menjejaskan hubungan antara tumbuhan dan pendebunganya boleh membantu untuk memaklumkan dasar dengan lebih baik dalam pengurusan masa depan sistem alam sekitar dan pemuliharaan biodiversiti."
Menyiasat perkara yang mendorong corak kelopak 3D
Para penyelidik mengambil pendekatan langkah demi langkah untuk penyiasatan. Mereka mula-mula memerhati perkembangan kelopak dan menyedari bahawa corak kutikula muncul apabila sel memanjang, menunjukkan bahawa pertumbuhan adalah penting. Mereka kemudiannya menentukan sama ada mengukur parameter fizikal yang berkaitan dengan pertumbuhan, seperti pengembangan sel dan ketebalan kutikula, boleh meramalkan corak yang diperhatikan dengan secukupnya, dan mendapati bahawa mereka tidak boleh. Mereka kemudian mengambil langkah ke belakang untuk cuba mengenal pasti apa yang hilang.
Sifat bahan, sama ada bukan organik atau dihasilkan oleh sel hidup seperti kutikula, berkemungkinan bergantung pada sifat kimia bahan ini. Dengan pemikiran ini, para penyelidik memutuskan untuk melihat kimia kutikula, dan mendapati bahawa, sememangnya, ini adalah faktor kawalan. Untuk melakukan ini, mereka mula-mula menggunakan kaedah baru dari bidang kimia untuk menganalisis komposisi kutikula pada titik yang sangat spesifik di seluruh kelopak. Ini menunjukkan bahawa kawasan kelopak dengan tekstur yang berbeza (licin atau berjalur) juga berbeza dalam kimia permukaannya.
Berbanding dengan kutikula licin, mereka mendapati kutikula berjalur mempunyai tahap asid dihidroksi-palmitik dan lilin yang tinggi dan tahap sebatian fenolik yang rendah. Untuk menguji sama ada kimia kutikula sememangnya penting, mereka kemudiannya mempelopori pendekatan transgenik dalam Hibiscus untuk mengubah kimia kutikula secara langsung dalam tumbuhan, menggunakan gen yang serupa dengan yang diketahui mengawal pengeluaran molekul kutikula dalam tumbuhan model yang berbeza, Arabidopsis.
Ini menunjukkan bahawa tekstur kutikula boleh diubah suai, tanpa mengubah pertumbuhan sel, hanya dengan mengubah suai komposisi kutikula. Bagaimanakah kimia kutikula boleh mengawal lipatan 3Dnya? Para penyelidik berpendapat bahawa perubahan dalam kutikula kimia menjejaskan sifat mekanikal kutikula kerana, walaupun apabila diregangkan menggunakan peranti khas, kelopak transgenik dengan kutikula licin kekal licin, tidak seperti tumbuhan jenis liar.