Резкое разнообразие цветков водосбора объясняется простым изменением формы клеток

Цветки водосбора (Aquilegia) узнаваемы по длинным нектарным шпорцам, которые тянутся от основания их лепестков и привлекают насекомых-опылителей.

Новое исследование учёных из Гарварда и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) помогает объяснить, как водосборы достигли быстрой радиации примерно 70 видов, с цветками, адаптированными к длине хоботков их опылителей.

Например, пчёлы предпочитают короткие шпорцы Aquilegia vulgaris, тогда как бражники — A. longissima, чьи шпорцы могут достигать 16 сантиметров.

Согласно результатам, опубликованным в Proceedings of the Royal Society B, резкое разнообразие в длине шпорцев водосбора является результатом одного простого изменения в ходе развития: степени удлинения клеток.

Более 60 лет биологи предполагали, что длина шпорцев достигается в основном за счёт пролиферации (деления) клеток. Новое исследование показывает, что пролиферация почти не играет роли в создании огромного разнообразия видов Aquilegia.

Фактически, 99% вариации длины шпорца можно объяснить изменениями формы клеток — а именно превращением круглых клеток в длинные.

Исследователи провели более 13 000 измерений, чтобы подсчитать количество клеток вдоль шпорца, а также площадь и степень удлинения каждой клетки.

Они обнаружили, что деление клеток прекращается на ранней стадии развития шпорца — когда его длина составляет около 5 миллиметров. В этот момент общий паттерн шпорца уже установлен, и лепестки всех видов водосбора выглядят одинаково. С этого момента клетки удлиняются в разной степени, создавая разнообразие длин шпорцев у разных видов.

Исследователи подтвердили свои результаты с помощью математического анализа и моделирования, а также экспериментов in vivo по нарушению клеточной структуры. Следующим шагом будет изучение нескольких основных гормональных путей и элементов цитоскелета, которые, как известно, влияют на удлинение клеток и время развития.

«Мы хотим понять гены, ответственные как за первоначальную эволюцию нектарных шпорцев, так и за их последующее разнообразие», — говорит со-руководитель исследования Елена Крамер.

Ясно, что отправная точка для шпорца, вероятно, уже присутствовала у последнего общего предка всех видов водосбора.

Водосборы перспективны в качестве модельного организма для изучения эволюции растений, поскольку они пережили такую быструю адаптивную радиацию за последние 3 миллиона лет.

«Тот факт, что это произошло совсем недавно, невероятно полезен, потому что это означает, что виды всё ещё очень похожи друг на друга на генетическом уровне», — отмечает Крамер.

Как только исследователи определят молекулярные сигналы, управляющие удлинением шпорцев, появится надежда понять видообразование на всех уровнях — от генов до популяций.

«Aquilegia служит хорошим примером того, как давление естественного отбора может приводить к появлению экстремальных морфологий — в данном случае, к стремлению цветка и опылителя к исключительным отношениям», — добавляет со-руководитель исследования Л. Махадеван.

«Учитывая, что теперь мы можем манипулировать длиной шпорца с помощью внешне применяемых препаратов, наше исследование даже поднимает возможность искусственной настройки этого процесса и изучения результатов с экологической точки зрения».