Путешествие пыльцы и механизмы её распространения
Для аллергиков период цветения — тяжёлое время, а для растений — возможность размножения: насекомые, в частности, переносят пыльцу с одного цветка на другой. Во время этого транспорта пыльца многократно прикрепляется к разным поверхностям и открепляется от них. До сих пор лежащие в основе этого клейкие механизмы почти не изучались. Учёные из Зоологического института Кильского университета обнаружили, что механизмы гораздо сложнее, чем предполагалось. Они различаются в зависимости от длительности контакта и микроструктуры поверхностей. В исследовании, представленном в текущем выпуске Journal of the Royal Society Interface, они впервые обнаружили уникальный механизм захвата пыльцы на воспринимающей женской части растений. Результаты могут дать важные знания для транспорта лекарственных веществ, а также — в свете тревожного сокращения популяций насекомых — для разработки альтернативных стратегий в сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.
Пыльца: универсальный клейкий талант
Материаловед Шуто Ито, страдающий от сильной аллергии на пыльцу, изучает её адгезивные свойства в рабочей группе профессора Станислава Горба «Функциональная морфология и биомеханика» в Кильском университете.
«Если пыльца переносится насекомыми с цветка на цветок, она сталкивается с тремя различными типами поверхностей, к которым должна прикрепиться, а затем снова открепиться. Мы хотим выяснить, какие адгезивные механизмы это обеспечивают», — пояснил Горб. Докторант Ито исследует эти механизмы на модели вида Hypochaeris radicata (кошачья лапка). Пыльца на её цветках покрыта маслянистым веществом — пыльцевой смазкой (pollenkitt). «До сих пор учёные полагали, что пыльцевая смазка имеет центральную адгезивную функцию. Но мы выяснили, что при определённых условиях она ведёт себя прямо противоположным образом. Мы должны рассматривать адгезивные механизмы гораздо более дифференцированно», — подытожил Ито. Таким образом, адгезия пыльцы зависит от сложного взаимодействия возраста пыльцы, влажности и соответствующих поверхностей для адгезии.
Изучение точек старта и финиша путешествия пыльцы
В текущем исследовании учёные сосредоточились на двух частях растения, наиболее важных для опыления. Они представляют собой точки старта и финиша: на столбике цветка пыльцевое зерно представлено до того, как его счистит насекомое. На верхнем конце столбика, на рыльце, приземляются входящие пыльцевые зёрна.
С помощью атомно-силового микроскопа учёные измерили, насколько сильно пыльца прилипала как к столбику, так и к рыльцу у Hypochaeris radicata. Они обнаружили, что обе части растения имеют очень разные адгезивные свойства, которые меняются в процессе опыления. Так, адгезия пыльцы на рыльце увеличивается, в то время как на столбике она довольно сдержанная. Сила адгезии свежей пыльцы на поверхности рыльца показала резкое увеличение за время контакта в 180 секунд в 11,9 раз, в то время как сила адгезии свежей пыльцы на поверхности столбика увеличилась только в 2,7 раза.
Оптимальная настройка в ходе эволюции
«Мы предполагаем, что в ходе эволюции две части растения развили разные функции, чтобы оптимизировать процесс опыления», — пояснил Ито. Если бы адгезия увеличивалась на столбике как точке старта опыления, пыльцевые зёрна не могли бы открепиться. Напротив, рыльце увеличило свои адгезивные свойства и удерживает пыльцевые зёрна, как только они вступают с ним в контакт. «Вновь обнаруженный механизм захвата пыльцы на рыльце, вероятно, обеспечивает размножение растений, закрепляя пыльцу на рыльце до тех пор, пока не произойдёт оплодотворение», — продолжил Ито.
Учёные предполагают, что разные свойства двух частей растения обусловлены их различной структурой поверхности и наличием или отсутствием секретируемой жидкости на поверхности, что можно увидеть при разрешении электронного микроскопа. Они исследовали шоково-замороженные образцы растений с помощью крио-сканирующего электронного микроскопа. В этом состоянии образцы сохраняют свою исходную структуру, и даже жидкости, такие как секретируемая жидкость на рыльце, можно наблюдать на изображениях высокого разрешения.
Новые перспективы для покрытий и транспорта лекарств
«Если мы сможем обнаружить механизмы, с помощью которых можно было бы контролировать такие взаимодействия микрочастиц и поверхностей, мы потенциально сможем сделать выводы для процессов нанесения покрытий и печати, транспорта лекарственных веществ или лечения респираторных заболеваний», — предполагает Горб. А возможно, когда-нибудь и для специальных фильтров для страдающих аллергией на пыльцу.