تغییر رنگ گل‌های وحشی برای جذب زنبورها؛ تکاملی شگفت‌انگیز در دل طبیعت

1

در نواحی غربی ایالات متحده، مرغ‌های مگس‌خوار معمولاً از گل‌های قرمز درخشان بازدید می‌کنند تا شهد بنوشند و گرده را از گلی به گل دیگر ببرند. با این حال، گیاه‌شناسان در لبه‌های این مناطق قرمز چیزی عجیب مشاهده کردند: گونه‌هایی از میمولوس کاردینالیس و میمولوس وربناسئوس، به‌جای گلبرگ‌های آتشین همیشگی، گل‌هایی زرد کره‌ای داشتند.

فرضیه اولیه: زنبورها به رنگ زرد علاقه دارند

آغاز یک جستجوی علمی

در مطالعات میدانی اولیه، مشخص شد که این تغییر رنگ ممکن است با تمایل زنبورها به جای مرغ‌های مگس‌خوار مرتبط باشد. اما در آن زمان، ابزارهای ژنتیکی و بیوشیمیایی برای اثبات این فرضیه وجود نداشت.

بازگشایی پرونده توسط مرکز جان اینس

اکنون، تیمی به سرپرستی کِلسی بایرز در مرکز جان اینس این موضوع را دوباره بررسی کرده‌ است. در مطالعه‌ای جدید، آن‌ها از آزمایش‌های کنترل‌شده گرده‌افشان‌ها، تجزیه‌وتحلیل شیمیایی گل‌ها و بررسی ژنتیکی استفاده کردند.

زنبورها رنگ زرد را ترجیح می‌دهند

نتایج آزمایش‌های گلخانه‌ای

در گلخانه‌هایی با دمای کنترل‌شده، زنبورهای سرگردان با گل‌های قرمز و زرد از هر دو گونه روبه‌رو شدند. آن‌ها به وضوح گل‌های زرد را دو برابر بیشتر از گل‌های قرمز ترجیح دادند.

نقش عطر گل‌ها در جذب زنبور

تحلیل‌های شیمیایی نشان داد که گل‌های زرد ترکیبات معطر فراری بیشتری تولید می‌کنند. این مسئله یک سازگاری احتمالی است؛ چراکه زنبورها، برخلاف مرغ‌های مگس‌خوار، در زمان تغذیه بسیار به بو تکیه دارند.

زنبورها با وجود رنگ مناسب، مشکل دارند

چالش‌های فیزیکی در گرده‌افشانی

اما رنگ و بو به‌تنهایی برای موفقیت تولیدمثل کافی نیست. ویدیوهای با سرعت بالا نشان دادند که زنبورها در برخورد با گل‌های لوله‌ای‌شکل دچار مشکل می‌شوند. این ساختارها طی هزاران سال برای جذب مرغ‌های مگس‌خوار تکامل یافته‌اند.

زنبورها در تلاش برای یافتن شهد، گلبرگ‌های ظریف را پاره می‌کنند و اغلب با اندام‌های تولیدمثلی تماس پیدا نمی‌کنند، که برای انتقال گرده ضروری است. در نتیجه، علی‌رغم بازدیدهای مکرر، گرده‌افشانی مؤثری رخ نمی‌دهد.

نشانه‌ای از یک گذار ناتمام

محققان این ناهماهنگی را به‌عنوان نشانه‌ای از مرحله‌ای ابتدایی در گذار از گرده‌افشانی پرندگان به زنبورها تفسیر می‌کنند. در این مرحله، جهش رنگ و تولید بوی بیشتر اتفاق افتاده، اما ساختار گل هنوز سازگار نشده ‌است.

ژن‌های متفاوت، صفات مشابه

تکامل همگرا در رنگدانه‌های زرد

یک سوال قدیمی این بود که آیا رنگ زرد در هر دو گونه از طریق مسیر مولکولی یکسانی شکل گرفته است؟ بررسی‌های ژنومی نشان داد که پاسخ هم آری و هم نه است.

هر دو گونه با تغییر در مجموعه مشابهی از ژن‌ها رنگدانه‌های زرد و نارنجی کاروتنوئیدی را افزایش دادند؛ نمونه‌ای کلاسیک از تکامل همگرا. اما حذف رنگدانه‌های قرمز آنتوسیانین و تغییر در شیمی بوی گل از طریق مسیرهای ژنتیکی متفاوتی در هر گونه رخ داده است.

تکامل صفات در مسیرهای متفاوت

«با وجود نزدیکی ژنتیکی این دو گونه، آن‌ها مسیرهای متفاوتی را برای رسیدن به برخی صفات مشابه طی کرده‌اند»، بایرز گفت.

توالی زمانی تکامل ویژگی‌ها

اول رنگ، بعد بو و سپس شکل

رنگ گل‌ها تأثیر زیادی بر انتخاب گرده‌افشان‌ها دارد. بنابراین، جهش‌های ژنی مرتبط با رنگ ممکن است در مراحل ابتدایی تغییرات گرده‌افشانی ظاهر شوند. در مراحل بعد، افزایش بوی گل و تغییر شکل گل می‌تواند تعامل را بهینه کند.

داده‌های به‌دست‌آمده از میمولوس از این ترتیب پشتیبانی می‌کنند: جهش‌های بزرگ در رنگ، پیش از تغییرات ظریف‌تر در بوی گل رخ داده و تغییرات شکل گل هنوز عقب مانده‌اند.

قانونی برای شروع ارتباطات جدید در طبیعت

محققان معتقدند این توالی تغییرات – ابتدا گام‌های بزرگ، سپس اصلاحات کوچک – الگویی رایج در شروع روابط همزیستی جدید میان گیاهان و گرده‌افشان‌هاست.

تأثیر رنگ دوست‌دار زنبور در کشاورزی

ارتباط با تنوع زیستی و محصولات کشاورزی

روابط میان گرده‌افشان‌ها و گیاهان، پایه‌ای برای تنوع زیستی در خشکی و بقای بسیاری از محصولات غذایی است. با بررسی چگونگی بازتنظیم این روابط در گونه‌های وحشی، دانشمندان ابزارهای مفهومی ارزشمندی برای حفاظت از محیط زیست و کشاورزی به‌دست می‌آورند.

کاربردهای عملی برای اصلاح‌نژاد گیاهان

بایرز می‌گوید: «با درک تکامل صفات در طبیعت، درک بهتری از تنوع زیستی خواهیم داشت. همچنین با فهم تأثیر ژنتیک گیاهان بر این صفات، پایه‌ای برای مهندسی صفاتی خواهیم داشت که بر ترجیح گرده‌افشان‌ها و در نتیجه عملکرد محصول تأثیرگذار هستند».

تغییر رنگ و عطر گل‌ها می‌تواند به پرورش‌دهندگان کمک کند تا گیاهان را با گرده‌افشان‌های محلی هماهنگ کنند، بدون نیاز به مواد شیمیایی اضافه.

برنامه آینده پژوهشگران

استفاده از ویرایش ژن برای بررسی دقیق‌تر

تیم پژوهشی قصد دارد آزمایش‌هایی با استفاده از فناوری‌های ویرایش ژن و ترانس‌ژنیک انجام دهد تا عملکرد دقیق ژن‌های بیوسنتز کاروتنوئید و تنظیم‌کننده‌های آنتوسیانین را بررسی کند.

بررسی جمعیت‌های زرد دیگر

آن‌ها همچنین در حال بررسی جمعیت زرد دیگری از میمولوس کاردینالیس هستند تا ببینند آیا همان مسیر ژنتیکی تکرار شده یا مسیر جدیدی به‌وجود آمده است. این مقایسه‌ها درک ما از پیش‌بینی‌پذیری یا خاص‌بودن نوآوری‌های تکاملی را بهبود می‌بخشند.

تکامل هنوز ادامه دارد

در حال حاضر، گل‌های زرد میمولوس به‌عنوان ایستگاه‌هایی زنده در مسیر تکامل ناتمام باقی مانده‌اند. زنبورها رنگ و عطر آن‌ها را دوست دارند، اما ورودی گل هنوز برای پرنده‌ای شناور مناسب‌تر است تا زنبوری در حال خزیدن.

با گذشت زمان و جهش‌های ژنتیکی، احتمال دارد لوله‌های گل‌برگ به گونه‌ای تکامل یابند که زنبورها را مستقیماً به سمت پرچم‌ها و مادگی هدایت کنند. در آن زمان، گیاه‌شناسان آینده ممکن است یک شاخه کاملاً سازگار با زنبورها از میمولوس را کشف کنند که روزگاری تنها برای مرغ‌های مگس‌خوار مناسب بود – و این مطالعات اولیه سرنخ‌های آغاز این دگرگونی را برایشان فراهم می‌سازد.

این مطالعه در نشریه Nature Communications منتشر شده است.