케임브리지 연구원들은 식물이 꽃잎 표면의 화학적 성질을 조절하여 꿀벌이 볼 수 있는 무지개 빛깔의 신호를 생성할 수 있음을 보여주었습니다.
대부분의 꽃은 다채롭게 보이고 수분 매개자에게 시각적 신호 역할을 하는 색소를 생산하지만 일부 꽃은 꽃잎 표면에 미세한 XNUMX차원 패턴을 만들기도 합니다. 이러한 평행 줄무늬는 빛의 특정 파장을 반사하여 인간의 눈에는 항상 보이지 않지만 꿀벌에게는 보이는 무지갯빛 광학 효과를 생성합니다.
수분매개자들의 관심을 끌기 위한 많은 경쟁이 있으며, 세계 작물의 35%가 동물 수분매개체에 의존한다는 점을 감안할 때 식물이 수분매개자를 만족시키는 꽃잎 패턴을 만드는 방법을 이해하는 것은 농업, 생물다양성 및 보존에 대한 향후 연구 및 정책을 지시하는 데 중요할 수 있습니다.
케임브리지 식물 과학과의 Beverley Glover 교수 팀이 이끄는 연구는 꽃잎 패턴에 눈에 보이는 것보다 더 많은 것이 있음을 밝혔습니다. 이전 결과는 얇고 보호적인 재료의 기계적 좌굴이 표피 자라나는 어린 꽃잎 표면의 층은 미세한 능선의 형성을 유발할 수 있습니다.
이 반정렬된 능선은 호박벌이 볼 수 있는 청색-UV 스펙트럼에서 약한 무지갯빛 청색 후광 효과를 생성하기 위해 빛의 다른 파장을 반사하는 회절 격자 역할을 합니다. 그러나 왜 이러한 줄무늬가 특정 꽃에서만 또는 심지어 꽃잎의 특정 부분에서만 형성되는지는 이해되지 않았습니다.
Glover 교수 연구실에서 이 연구를 시작했고 현재 Sainsbury 연구소에서 자신의 연구 그룹을 이끌고 있는 Edwige Moyroud는 호주 토종 히비스커스인 베니스 아욱(Hibiscus trionum)을 새로운 모델 종으로 개발하여 언제 어떻게 이러한 나노 구조가 개발됩니다.
Moyroud 박사는 “우리의 초기 모델은 얼마나 많은 세포가 성장하고 얼마나 많은 큐티클을 만드는지가 줄무늬 형성을 제어하는 핵심 요인이라고 예측했습니다. 실험적 작업 베니스 아욱에서 우리는 그들의 형성이 큐티클이 좌굴을 일으키는 힘에 반응하는 방식에 영향을 미치는 큐티클 화학에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다.”
“우리가 탐구하고 싶은 다음 질문은 다양한 화학 물질이 나노구조 구축 재료로서 큐티클의 기계적 특성을 어떻게 변화시킬 수 있는지입니다. 서로 다른 화학적 조성으로 인해 큐티클이 서로 다른 구조를 갖거나 경도가 달라져서 꽃잎이 자랄 때 세포가 경험하는 힘에 반응하는 방식이 다를 수 있습니다.”
이 프로젝트는 함께 작동하고 식물이 표면을 형성할 수 있도록 하는 프로세스의 조합이 있음을 밝혔습니다. Moyroud 박사는 “식물은 강력한 화학자이며 이러한 결과는 꽃잎 전체에 다양한 질감을 생성하기 위해 큐티클의 화학을 정확하게 조정할 수 있는 방법을 보여줍니다. 미세한 규모로 형성된 패턴은 수분매개자와의 의사소통에서 초식동물이나 병원균에 대한 방어에 이르기까지 다양한 기능을 수행할 수 있습니다.”
"그들은 진화적 다양화의 놀라운 예이며 실험과 전산 모델링을 결합함으로써 우리는 식물이 어떻게 그것들을 조작할 수 있는지 조금 더 잘 이해하기 시작했습니다."
연구 결과는 현재 생물학.
“이러한 통찰력은 생물다양성과 보존 작업 그들은 식물이 환경과 어떻게 상호 작용하는지 설명하는 데 도움이 되기 때문입니다.” 연구자들이 베니스 아욱의 무지갯빛 꽃을 처음 발견한 케임브리지 대학 식물원의 책임자이기도 한 글로버 교수의 말입니다.
“예를 들어, 밀접하게 관련되어 있지만 다른 지리적 지역에서 자라는 종은 매우 다른 꽃잎 패턴을 가질 수 있습니다. 꽃잎 무늬가 왜 달라지고 이것이 식물과 꽃가루 매개자 사이의 관계에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하면 향후 환경 시스템 관리 및 생물 다양성 보존 정책에 더 나은 정보를 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.”
3D 꽃잎 패터닝의 원동력 조사
연구원들은 조사에 단계적으로 접근했습니다. 그들은 처음에 꽃잎 발달을 관찰했고 큐티클 패턴이 세포가 늘어날 때 나타나는 것을 알아차렸습니다. 이는 성장이 중요하다는 것을 암시합니다. 그런 다음 그들은 세포 확장 및 큐티클 두께와 같은 성장과 관련된 물리적 매개변수를 측정하는 것이 관찰된 패턴을 적절하게 예측할 수 있는지 여부를 결정했지만 그럴 수 없다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 그들은 무엇이 빠졌는지 확인하기 위해 한 걸음 뒤로 물러났습니다.
무기질이든 큐티클과 같은 살아있는 세포에서 생산되든 물질의 특성은 이 물질의 화학적 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 이를 염두에 두고 연구원들은 큐티클 화학을 살펴보기로 결정했고 실제로 이것이 제어 요인이라는 것을 발견했습니다. 이를 위해 그들은 먼저 화학 분야의 새로운 방법을 사용하여 꽃잎 전체의 매우 특정한 지점에서 큐티클의 구성을 분석했습니다. 이것은 대조적인 질감(부드럽거나 줄무늬가 있음)을 가진 꽃잎 영역도 표면의 화학적 성질이 다르다는 것을 보여주었습니다.
매끄러운 큐티클과 비교할 때, 줄무늬 큐티클에는 높은 수준의 디하이드록시-팔미트산과 왁스가 있고 낮은 수준의 페놀 화합물이 있음을 발견했습니다. 큐티클 화학이 실제로 중요한지 테스트하기 위해 그들은 다른 모델 식물인 Arabidopsis에서 큐티클 분자의 생산을 제어하는 것으로 알려진 것과 유사한 유전자를 사용하여 식물에서 큐티클 화학을 직접 변경하기 위해 Hibiscus에서 형질전환 접근법을 개척했습니다.
이것은 단순히 큐티클 구성을 수정함으로써 세포 성장을 변화시키지 않고 큐티클 질감을 수정할 수 있음을 보여주었습니다. 큐티클 화학이 어떻게 3D 폴딩을 제어할 수 있습니까? 연구자들은 큐티클의 변화가 화학 큐티클의 기계적 성질에 영향을 미치는데, 이는 특수 장치를 사용하여 늘렸을 때에도 야생형 식물과 달리 매끈한 큐티클을 가진 형질전환 꽃잎이 매끄럽게 유지되었기 때문입니다.