Aleksandra Rypień und Dorota Kwiatkowska Untersuchen Sie bunte Papierblätter, genannt unheimlich Hochblätter, die die umgeben Blütenstand von Golden Everlasting, das Thema ihrer letzten Annals of Botany Krepppapier Der Gradient der strukturellen Merkmale treibt die hygroskopischen Bewegungen der umgebenden Laubblätter an Helichrysum bracteatum Capitulum sind angepasst, um sich zu bewegen, wenn sich die Umgebungsfeuchtigkeit ändert. Obwohl alle ihre Zellen tot sind, bleiben diese bereit, sich zum Blütenstandszentrum zu beugen, um Blüten zu verbergen, oder nach außen, um sie freizulegen.
Pflanzen haben trotz des Mangels an Muskeln eine Vielzahl von Mechanismen entwickelt, um Bewegung zu erzeugen. Bewegungen von Pflanzenorganen variieren in der Geschwindigkeit: von sehr langsamen Wachstumsbewegungen von Trieben bis hin zum Abbrechen fleischfressender Pflanzenblätter oder einer schnellen explosiven Samenausbreitung. Seitdem haben Biologen untersucht, wie sich Pflanzenorgane ohne Muskeln bewegen die Pionierarbeit von Charles Darwin. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind entscheidend, um die Pflanzenvermehrung oder die Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen zu verstehen. Darüber hinaus haben wir einige von Pflanzen „erfundene“ Bewegungsmechanismen adaptiert, um moderne Konstruktionen zu bauen, die beispielsweise in der Lage sind, auf wechselnde Luftfeuchtigkeit oder Temperatur mit Formänderungen zu reagieren.
Mechanismen einiger Bewegungen scheinen unglaublich. Dies ist der Fall für hygroskopisch Bewegungen, wo Organe reversible hygroskopische Bewegungen lange nach ihrer Trennung von der Mutterpflanze oder nach dem Pflanzentod fortsetzen. Ihr Mechanismus basiert auf der Verformung der Zellwände aufgrund von Änderungen des Wassergehalts, hauptsächlich als Reaktion auf Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebung. Da Größe, Struktur oder Zusammensetzung der Zellwände in verschiedenen Organabschnitten nicht gleich sind, erzeugt ihre Benetzung oder Trocknung in einigen Organabschnitten eine Kompression und in anderen eine Spannung, was schließlich zur Bewegung führt. In seinem Verlauf biegt, verdreht, dreht oder krümmt sich das Organ oft.
Nicht das gesamte Organ ist an der Bereitstellung der Kraft beteiligt, die die Bewegung antreibt, sondern nur der Teil, der als der bezeichnet wird Aktor, die aus Aktiv- und Widerstandsteil aufgebaut ist. Eine solche Konstruktion ähnelt einer thermisch betätigten bimetallischer Streifen die sich als Reaktion auf Temperaturänderungen krümmt, reagiert nur der Stellantrieb der Anlage eher auf Wasser als auf Temperatur. Der aktive Teil kann sich beim Trocknen zusammenziehen oder beim Benetzen quellen, während der Widerstandsteil die entstehenden Kräfte stabilisiert. Hygroskopische Bewegungen tragen bei zahlreichen Pflanzenarten zum Blütenschutz, zur Bestäubung, zum Öffnen von Früchten oder Zapfen oder zur Samenausbreitung bei.
Unsere Forschung zielte darauf ab, den Mechanismus der hygroskopischen Bewegungen zu erklären, die von bunten papierartigen Hochblättern der Strohblume (auch genannt Goldener Ewiger). Sein botanischer Name ist Xerochrysum bracteatum, früher angerufen Helichrysum bracteatum, ein Mitglied der Familie der Sonnenblumen (Asteraceae), die in Australien beheimatet ist, aber oft auf der ganzen Welt für trockene Blumensträuße angebaut wird. Das häufigste morphologische Merkmal der Familie der Sonnenblumen ist die Ansammlung zahlreicher Blüten in einer Capitulum Strohblumen sind von Hochblättern umgeben. Die Hochblätter der Strohblume sind häutig (aus abgestorbenen Zellen bestehend), groß und farbig. Sie werden oft mit Blütenblättern verwechselt, sind aber tatsächlich umgewandelte Blätter, die den gesamten Blütenstand umgeben und schützen. Sie behalten ihren ästhetischen Wert über viele Jahre, ohne zu welken oder sich zu verfärben, nachdem der Blütenstandstrieb abgeschnitten und getrocknet wurde. Die Hochblätter der Strohblume verändern sich stark und reversibel in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit: Im trockenen Zustand biegen sie sich vom Zentrum des Blütenköpfchens nach außen und geben die Blüten oder Früchte frei, im feuchten Zustand hingegen nach innen und schützen sie (das Blütenköpfchen im obigen Video wurde einfach auf die Wasseroberfläche gelegt). Gut für uns und unsere Forschung: Ein vom Blütenköpfchen abgetrenntes Hochblatt vollführt genau dieselben Bewegungen.
Durch sorgfältiges Verfolgen der Hochblattbewegungen und Messen seiner Verformung in verschiedenen Abschnitten identifizierten wir zuerst den Hochblattaktuator. Dies ist ein Scharnier in der Nähe der Deckblattbasis, an dem sich das Deckblatt biegt. Diese Biegung führt zu einer passiven Verschiebung des verbleibenden Tragblattteils, dessen Form einer Klinge ähnelt (in Video 3 hielt die Zange die Tragblattbasis, während sich die Klinge bewegte). Die Klinge ist der Deckblattteil, der Blüten bedeckt oder freilegt. Durch die Messung der Verformung der Deckblattoberfläche aufgrund von Feuchtigkeitsänderungen haben wir gezeigt, dass das Biegen des Deckblatts am Gelenk aus einem tiefgreifenden Unterschied in der Ausdehnung der Zellwände an gegenüberliegenden Deckblattoberflächen resultiert: Die äußere Oberfläche dehnt sich stark aus, wenn sie nass wird, oder schrumpft stark, wenn sie trocknet, während die Oberfläche zugewandte Blütenstandsmitte ändert sich nur geringfügig. Die Klinge wird auch durch Benetzung oder Trocknung verformt, aber die Verformung ist geringer und auf beiden Oberflächen sehr ähnlich, so dass ihre Formänderungen gering sind.
Als nächstes haben wir versucht, diesen großen Unterschied in der Zellwandverformung zu erklären, die auf gegenüberliegenden Scharnieroberflächen als Reaktion auf Feuchtigkeitsänderungen stattfindet. Für Organe, die hygroskopische Bewegungen in anderen Pflanzen ausführen, ist bekannt, dass die ausgedehnte Zellwandverformung in aktivem Gewebe durch Quellen oder Schrumpfen einer Zellwandmatrix geschieht, die den Raum zwischen Verstärkung ausfüllt Zellulosefibrillen. Die Zellwandausdehnung oder -schrumpfung erfolgt in der Richtung orthogonal zu der der Fibrillen. Das Widerstandsgewebe hat oft Zellulosefibrillen in einer Orientierung, die sich stark von der des aktiven Gewebes unterscheidet (oft fast senkrecht dazu, wenn sich das Organ biegt). Seine Zellwände verformen sich bei Feuchtigkeitsänderungen normalerweise nicht so stark, und wenn sie sich ausdehnen oder zusammenziehen, geschieht dies in eine andere Richtung als im aktiven Gewebe. Vor diesem Hintergrund haben wir die Struktur des Scharniers von Strohblumenbrakteen untersucht. Wir achteten besonders auf die Anordnung der Zellulosefibrillen und auch auf die Zusammensetzung der Zellwände und versuchten, eine spezielle Quellmatrixkomponente zu finden, die hauptsächlich in stark deformiertem Gewebe auftritt.
Zunächst identifizierten wir spezifische Merkmale der Gelenkzellmorphologie. Auf der stark deformierenden Seite gibt es zwei oder drei Schichten länglicher dickwandiger Zellen (ähnlich Sklerchym von Tannenzapfen). Zellen in tieferen Schichten sind ebenfalls länglich, aber ihre Wände sind dünner, während längliche Epidermiszellen auf der gegenüberliegenden Deckblattoberfläche nur verdickte Außenwände aufweisen. Bezüglich des Wandaufbaus zeigen sich einige Tendenzen, wenn wir uns von der stark deformierenden Oberfläche zur gegenüberliegenden Deckblattseite bewegen: Der von Zellwänden besetzte Gewebeanteil und die Zellwanddicke nehmen ab, während die Kompaktheit von Zellen und Zellwänden zunimmt. Gleichzeitig ändert sich die Orientierung der Zellulosefibrillen von senkrecht zur Zelllängsachse zu nahezu parallel (Abbildung 1). Die Zellwandzusammensetzung ist weniger heterogen. Wir konnten keine Schwellungskomponente identifizieren, die für stark deformierendes Gewebe spezifisch ist, obwohl wir eine Reihe klassischer Färbemethoden sowie fortschrittlichere Methoden wie Immunmarkierung und Raman-Spektroskopie angewendet haben. Dies gilt jedoch auch für andere bewegliche Organe wie Tannenzapfenschuppen. Das Besondere am Hochblattgelenk und auch an Tannenzapfen ist das Vorhandensein von Lignin in Scharnierzellwänden (übrigens fehlt Lignin fast vollständig in den Blattzellwänden). Obwohl diese Wandkomponente in Holz reichlich vorhanden ist und als verantwortlich für die Wandsteifigkeit und verringerte Durchlässigkeit angesehen wird, ist sie im Strohblumenblatt spezifisch für das Scharnier, das der Teil ist, der am stärksten auf Wasser reagiert.
In diesem Forschungsstadium waren wir ziemlich sicher, dass wir aktives und widerstandsfähiges Gewebe des Strohblumenbrakteengelenks identifiziert hatten, als dickwandige Zellen, die auf der einen Seite dem Sklerenchym und auf der anderen Seite der Epidermis ähneln. Um diese Interpretation zu bestätigen, führten wir dennoch Dissektionsexperimente durch und entfernten einige Gewebe aus dem Gelenk. Zu unserer Überraschung haben die sezierten Hochblätter ihre Bewegungsfähigkeit nicht verloren. Hochblätter, von denen alle dickwandigen Zellen entfernt wurden, konnten Bewegungen ausführen, ebenso wie solche ohne gegenüberliegende Epidermis. Somit haben wir gezeigt, dass das Vorhandensein eines Teils des Scharniergewebes für die Scharnierbewegungen ausreicht, sodass das aktive und das resistente Gewebe nicht eindeutig definiert sind. Anscheinend ist das Scharnier der Strohblumenblätter eine Struktur, die sich allmählich verändernde Gewebe umfasst, von hochgradig widerstandsfähig zu hochaktiv, und nicht eine zweischichtige Struktur mit unterschiedlichen aktiven und widerstandsfähigen Teilen, die oben erwähnt wurden, die oft hygroskopisch sich bewegenden Organen zugeschrieben wird. Eine solche Scharnierkonstruktion macht das Hochblatt in der Lage, seine Schutzaufgaben auch nach der mechanischen Beschädigung zu erfüllen.
Aleksandra Rypień promoviert in Abteilung für Biophysik und Morphogenese der Pflanzen at der Schlesischen Universität in Katowice. Sie arbeitet im Labor für Mikroskopische Techniken an derselben Universität und ihr Forschungsinteresse gilt der Pflanzenzellwand und ihrer Rolle bei der Bewegung von Pflanzenorganen. Du kannst Folge ihr auf Facebook.
Dorota Kwiatkowska ist Professor und Leiter der Abteilung für Biophysik und Morphogenese der Pflanzen an der Schlesischen Universität in Kattowitz. Ihre Forschungsinteressen sind Wachstum und Funktion von Pflanzensprossen aus biomechanischer Sicht.
