Las plantas usan ingeniería química para fabricar dispositivos ópticos para atraer abejas


Investigadores de Cambridge han demostrado que las plantas pueden regular la química de la superficie de sus pétalos para crear señales iridiscentes visibles para las abejas.


de la Universidad de Cambridge


Si bien la mayoría de las flores producen pigmentos que parecen coloridos y actúan como una señal visual para los polinizadores, algunas flores también crean patrones tridimensionales microscópicos en la superficie de sus pétalos. Estas rayas paralelas reflejan longitudes de onda de luz particulares para producir un efecto óptico iridiscente que no siempre es visible para los ojos humanos, pero sí para las abejas.

Existe una gran competencia por la atención de los polinizadores, y dado que el 35% de los cultivos del mundo dependen de polinizadores animales, comprender cómo las plantas crean patrones de pétalos que les gustan a los polinizadores puede ser importante para guiar futuras investigaciones y políticas en agricultura, biodiversidad y conservación.

La investigación dirigida por el equipo de la profesora Beverley Glover en el Departamento de Ciencias Vegetales de Cambridge reveló que hay más en el patrón de los pétalos de lo que parece. Los resultados anteriores indicaron que la rotura mecánica de la fina capa protectora de la cutícula en la superficie de los pétalos jóvenes en crecimiento podría desencadenar la formación de crestas microscópicas.

Estas crestas semiordenadas actúan como rejillas de difracción que reflejan diferentes longitudes de onda de luz para crear un tenue efecto de halo azul iridiscente en el espectro azul-UV que pueden ver los abejorros. Sin embargo, no se entendió por qué estas rayas se forman solo en ciertas flores o incluso solo en ciertas partes de los pétalos.

Edwige Moyroud, quien comenzó esta investigación en el laboratorio del profesor Glover y ahora dirige su propio grupo de investigación en el Laboratorio Sainsbury, ha desarrollado el hibisco nativo australiano, la malva veneciana (Hibiscus trionum), como una nueva especie modelo para tratar de comprender cómo y cuándo estas nanoestructuras se desarrollan.

«Nuestro modelo original predijo que la cantidad de células que crecían y la cantidad de cutícula que producían estas células eran factores clave que controlaban la formación de estrías», dijo el Dr. Moyroud, «pero cuando comenzamos a probar el modelo usando trabajo experimental en malva, descubrimos que su formación también depende mucho de la química de la cutícula, que afecta la forma en que la cutícula responde a las fuerzas que causan la rotura».

«La siguiente pregunta que queremos explorar es cómo las diferentes químicas pueden cambiar las propiedades mecánicas de la cutícula, como material de construcción para nanoestructuras. Podría ser que las diferentes composiciones químicas den como resultado una cutícula con una arquitectura diferente o con una rigidez diferente, y por lo tanto de diferentes maneras. para responder a las fuerzas experimentadas por las células a medida que crece el pétalo.

Este proyecto reveló que existe una combinación de procesos que trabajan juntos para permitir que las plantas den forma a sus superficies. Dr. Moyroud agregó: «Las plantas son químicos formidables y estos hallazgos ilustran cómo pueden ajustar la química de su cutícula para producir diferentes texturas en sus pétalos. Los patrones formados a escala microscópica pueden cumplir una variedad de funciones, desde la comunicación con los polinizadores hasta la defensa contra los herbívoros. o patógenos».

«Son ejemplos asombrosos de diversificación evolutiva, y al combinar experimentos y modelos computacionales, estamos comenzando a comprender un poco mejor cómo las plantas pueden producirlos».

Los resultados serán publicados en Biología actual .

«Estas ideas también son útiles para el trabajo de conservación y biodiversidad porque ayudan a explicar cómo las plantas interactúan con su entorno», dijo el profesor Glover, quien también es director del Jardín Botánico de la Universidad de Cambridge, donde los investigadores observaron por primera vez las flores iridiscentes de Venecia. malva.

«Por ejemplo, las especies que están estrechamente relacionadas pero que crecen en diferentes áreas geográficas pueden tener patrones de pétalos muy diferentes. Comprender por qué el patrón de los pétalos varía y cómo esto puede afectar la relación entre las plantas y sus polinizadores puede ayudar a informar mejor las futuras políticas de gestión de los sistemas ambientales y conservación de la biodiversidad.

Investigando qué impulsa el patrón de pétalos en 3D

Los investigadores adoptaron un enfoque gradual de los estudios. Primero observaron el desarrollo de los pétalos y notaron que los patrones de la cutícula aparecen a medida que las células se alargan, lo que sugiere que el crecimiento era importante. Luego determinaron si la medición de parámetros físicos relacionados con el crecimiento, como la expansión celular y el grosor de la cutícula, podían predecir adecuadamente los patrones observados, y descubrieron que no era posible. Luego dieron un paso atrás para tratar de identificar lo que faltaba.

Es probable que las propiedades de un material, ya sea inorgánico o producido por células vivas como la cutícula, dependan de la naturaleza química de ese material. Con esto en mente, los investigadores decidieron observar la química de la cutícula y descubrieron que en realidad es un factor de control. Para ello, primero utilizaron un nuevo método del campo de la química para analizar la composición de la cutícula en puntos muy específicos del pétalo. Esto mostró que las áreas de los pétalos con texturas contrastantes (lisas o acanaladas) también difieren en la química de su superficie.

En comparación con la cutícula lisa, encontraron que la cutícula ranurada tiene altos niveles de ácido dihidroxipalmítico y cera y bajos niveles de compuestos fenólicos. Para probar si la química de la cutícula realmente importaba, fueron pioneros en un enfoque transgénico en Hibiscus para cambiar la química de la cutícula directamente en las plantas, utilizando genes similares a los que se sabe que controlan la producción de moléculas de cutícula en una planta. otra planta modelo, Arabidopsis.

Esto demostró que la textura de la cutícula se puede modificar sin alterar el crecimiento celular, simplemente modificando la composición de la cutícula. ¿Cómo puede la química de la cutícula controlar su plegamiento 3D? Los investigadores creen que un cambio en química de la cutícula afecta las propiedades mecánicas de la cutícula, ya que los pétalos transgénicos con cutículas suaves, incluso cuando se estiran con un dispositivo especial, permanecen suaves, en contraste con las plantas de tipo salvaje.

Más información: Edwige Moyroud et al., La química de la cutícula impulsa el desarrollo de rejillas de difracción en la superficie de los pétalos de Hibiscus trionum, Biología actual (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.10.065



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