Цветы используют регулируемые рисунки на лепестках для привлечения опылителей

Такие цветы, как гибискус, используют невидимый шаблон, заложенный на очень ранней стадии формирования лепестков, который определяет размер их «яблочка» — важный предварительный шаблон, который может существенно повлиять на их способность привлекать пчел-опылителей.  

Исследование, проведенное учеными из лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета , также показало, что пчелы предпочитают более крупные мишени меньшим и летают на 25% быстрее между искусственными цветочными дисками с более крупными мишенями, что потенциально повышает эффективность как для пчел, так и для цветов. Результаты опубликованы в журнале Science Advances. 

Узоры на цветках растений направляют насекомых, таких как пчелы, к центру цветка, где их ждут нектар и пыльца, увеличивая шансы растения на успешное опыление. Несмотря на их важность, удивительно мало известно о том, как формируются эти узоры лепестков и как они эволюционировали в огромное разнообразие, которое мы видим сегодня, включая пятна, полоски, прожилки и яблочки. 

Используя в качестве модели небольшое растение гибискуса, исследователи сравнили близкородственные растения с одинаковым размером цветка, но тремя узорами «бычий глаз» разного размера, включающими темно-фиолетовый центр, окруженный белым — H. richardsonii (маленький «бычий глаз», покрывающий 4% цветочного диска), H. trionum (средний «бычий глаз», покрывающий 16%) и трансгенную линию (мутацию) H. trionum (большой «бычий глаз», покрывающий 36%). 

Они обнаружили, что предварительный рисунок устанавливается на поверхности лепестка очень рано в процессе формирования цветка, задолго до того, как лепесток проявит какой-либо видимый цвет. Лепесток действует как холст «раскрашивания по номерам», где различные области заранее предопределены для развития определенных цветов и текстур задолго до того, как они начнут отличаться друг от друга. 

Исследование также показывает, что растения могут точно контролировать и изменять форму и размер этих узоров, используя несколько механизмов, что может иметь последствия для эволюции растений. Тонко настраивая эти узоры, растения могут получить конкурентное преимущество в борьбе за привлечение опылителей или, возможно, начать привлекать другие виды насекомых. 

Эдвиж Мойроуд , которая возглавляет исследовательскую группу, изучающую механизмы, лежащие в основе формирования узоров в лепестках , пояснила: «Если признак может быть получен разными методами, это дает эволюции больше возможностей для его модификации и создания разнообразия, подобно художнику с большой палитрой или строителю с обширным набором инструментов. Изучая, как меняются узоры «яблочко», мы на самом деле пытаемся понять, как природа создает биоразнообразие». 

Ведущий автор исследования Люси Риглет исследовала механизм формирования узора лепестков гибискуса, проанализировав развитие лепестков у трех цветков гибискуса, которые имели одинаковый общий размер, но разные узоры «яблочко». 

Она обнаружила, что предварительный рисунок начинается с небольшой области в форме полумесяца задолго до того, как на крошечных лепестках размером менее 0,2 мм становится заметен «яблочко». 

Риглет сказала: «На самой ранней стадии, которую мы смогли препарировать, лепестки имеют около 700 клеток и все еще зеленоватого цвета, без видимого фиолетового пигмента и без разницы в форме или размере клеток. Когда лепесток развивается дальше до 4000 клеток, он все еще не имеет никакого видимого пигмента, но мы определили определенную область, где клетки были крупнее, чем их окружающие соседи. Это предварительный рисунок». 

Эти клетки важны, поскольку они отмечают положение границы «яблочко», линии на лепестке, где цвет меняется с фиолетового на белый — без границы нет «яблочка»! 

Вычислительная модель, разработанная доктором Аргирисом Зардилисом, предоставила дополнительные сведения, а объединив вычислительные модели и экспериментальные результаты, исследователи показали, что гибискус может изменять размеры «яблочко» на очень ранних этапах, во время фазы, предшествующей формированию узора, или модулировать рост в любой области «яблочко», регулируя расширение или деление клеток на более поздних этапах развития. 

Затем Риглет сравнила относительный успех шаблонов «бычий глаз» в привлечении опылителей с использованием искусственных цветочных дисков, которые имитировали три различных размера «бычьего глаза». Риглет объяснила: «Пчелы не только предпочитали средние и большие «бычьи глаза» маленькому «бычьему глазу», они также на 25% быстрее посещали эти большие цветочные диски. Поиск пищи требует много энергии, и поэтому, если пчела может посетить 4 цветка вместо 3 за одно и то же время, то это, вероятно, полезно как для пчелы, так и для растений». 

Исследователи полагают, что эти стратегии предварительного формирования узоров могут иметь глубокие эволюционные корни, потенциально влияя на разнообразие цветочных узоров у разных видов. Следующим шагом для исследовательской группы Эдвиж Мойроуд станет выявление сигналов, ответственных за формирование этих ранних узоров, и изучение того, используются ли подобные механизмы предварительного формирования узоров в других органах растений, таких как листья. 

Это исследование не только расширяет наши знания о биологии растений, но и подчеркивает сложные связи между растениями и окружающей их средой, показывая, как точные природные конструкции могут играть решающую роль в выживании и эволюции видов. 

Например, H. richardsonii , имеющий самый маленький яблочко из трех растений гибискуса, изученных в этом исследовании, является находящимся под угрозой исчезновения растением, произрастающим в Новой Зеландии. H. trionum также встречается в Новой Зеландии, но не считается местным, и широко распространен по всей Австралии и Европе и стал сорным натурализовавшимся растением в Северной Америке. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, помогает ли больший размер яблочка H. trionum привлекать больше опылителей и повышать его репродуктивный успех.