Цветы используют регулируемые «раскраски по номерам» для привлечения опылителей

Цветы, такие как гибискус, используют невидимый «чертеж», формируемый очень рано в развитии лепестка, который определяет размер их «бычьего глаза» (концентрического узора) — критически важный предварительный паттерн, значительно влияющий на способность привлекать пчел-опылителей.

Исследование, проведенное в Sainsbury Laboratory Кембриджского университета, также показало, что пчелы предпочитают крупные «бычьи глаза» мелким и летают на 25% быстрее между искусственными цветочными дисками с крупными узорами, что потенциально повышает эффективность как для пчел, так и для растений. Результаты опубликованы в Science Advances.

Узоры на цветках направляют насекомых, например пчел, к центру цветка, где находятся нектар и пыльца, повышая шансы растения на успешное опыление. Несмотря на их важность, удивительно мало известно о том, как формируются эти узоры на лепестках и как они эволюционировали в огромное разнообразие, которое мы видим сегодня (пятна, полосы, жилки, «бычьи глаза»).

Используя в качестве модели небольшое растение гибискуса, исследователи сравнили близкородственные растения с одинаковым размером цветка, но тремя разными по размеру узорами «бычий глаз» (темно-фиолетовый центр в окружении белого):

• H. richardsonii (малый «бычий глаз», покрывающий 4% диска цветка)
• H. trionum (средний «бычий глаз», 16%)
• Трансгенная линия (мутация) H. trionum (крупный «бычий глаз», 36%).

Было обнаружено, что предварительный паттерн формируется на поверхности лепестка очень рано, задолго до появления видимого цвета. Лепесток действует как «холст для раскраски по номерам», где разные области заранее запрограммированы на развитие определенных цветов и текстур.

Исследование также показывает, что растения могут точно контролировать и изменять форму и размер этих узоров с помощью нескольких механизмов, что имеет возможные последствия для эволюции растений. Тонко настраивая эти «дизайны», растения могут получить конкурентное преимущество в борьбе за привлечение опылителей или даже начать привлекать другие виды насекомых.

Доктор Эдвиж Мойру, руководитель исследования, пояснила: «Если признак может быть произведен разными методами, это дает эволюции больше возможностей для его изменения и создания разнообразия... Изучая, как меняются узоры «бычий глаз», мы на самом деле пытаемся понять, как природа генерирует биоразнообразие».

Ведущий автор доктор Люси Ригле исследовала механизм формирования узоров на лепестках гибискуса. Она обнаружила, что предварительный паттерн начинается как небольшая серповидная область на крошечных лепестках размером менее 0.2 мм, задолго до того, как «бычий глаз» становится видимым.

«На самой ранней стадии... лепестки имеют около 700 клеток и все еще зеленоватого цвета, без видимого фиолетового пигмента и различий в форме или размере клеток. Когда лепесток развивается дальше, до 4000 клеток, у него все еще нет видимого пигмента, но мы идентифицировали специфическую область, где клетки были крупнее своих соседей. Это и есть предварительный паттерн», — сказала доктор Ригле.

Эти клетки важны, потому что они отмечают положение границы «бычьего глаза» — линии на лепестке, где цвет меняется с фиолетового на белый. Без границы нет и «бычьего глаза».

Вычислительная модель, разработанная доктором Аргирисом Зардилисом, показала, что гибискус может варьировать размеры «бычьего глаза» либо очень рано, на фазе предварительного паттерна, либо модулируя рост в любой из областей узора позже, в процессе развития, регулируя расширение или деление клеток.

Доктор Ригле также сравнила успешность разных узоров в привлечении опылителей, используя искусственные цветочные диски, имитирующие три разных размера «бычьего глаза».

«Пчелы не только предпочитали средние и крупные «бычьи глаза» мелкому, они также были на 25% быстрее, посещая эти более крупные диски. Сбор пищи требует много энергии, поэтому если пчела может посетить четыре цветка вместо трех за то же время, это, вероятно, выгодно и для пчелы, и для растений», — объяснила она.

Исследователи полагают, что эти стратегии предварительного паттерна могут иметь глубокие эволюционные корни, потенциально влияя на разнообразие цветочных узоров у разных видов. Следующим шагом для команды является идентификация сигналов, ответственных за генерацию этих ранних паттернов, и изучение того, используются ли аналогичные механизмы в других органах растений, например, в листьях.

Например, H. richardsonii, имеющий самый маленький «бычий глаз» в исследовании, — это находящееся под критической угрозой исчезновения растение, произрастающее в Новой Зеландии. H. trionum также встречается в Новой Зеландии (но не считается аборигенным), широко распространен в Австралии и Европе и стал натурализованным сорным растением в Северной Америке.

Требуются дополнительные исследования, чтобы определить, помогает ли больший размер «бычьего глаза» H. trionum привлекать больше опылителей и повышать его репродуктивный успех.