Przenoszenie pyłku przez owady zapylające ma ogromne znaczenie zarówno dla naturalnych ekosystemów, jak i rolnictwa. Rośliny dzięki swoim sygnałom kwiatowym „starają się”, by przyleciało do nich jak najwięcej zapylaczy. Jednak większość pyłku nigdy nie dociera tam, gdzie mogłaby doprowadzić do zapłodnienia.
Dlatego dla naukowców ważne jest nie tylko to, czy doszło do zapylenia, ale także co dzieje się z pyłkiem wcześniej: jak jest przenoszony, jak daleko dociera i jaką rolę odgrywają w tym poszczególne gatunki owadów.
To jednak trudno śledzić w terenie. Samo liczenie wizyt zapylaczy na kwiatach daje tylko część odpowiedzi, a starsze metody, wykorzystujące m.in. znaczniki radioaktywne czy barwniki fluorescencyjne, miały swoje ograniczenia.
– Największym problemem tradycyjnych metod śledzenia pyłku było to, że nie pozwalały one dokładnie monitorować losów pojedynczych ziaren pyłku. Analizy ojcostwa umożliwiają ustalenie, które rośliny zapłodniły nasiona, ale nie pokazują, co dzieje się z ogromną większością pyłku, który nigdy nie trafia na znamię słupka. Szacuje się, że jedynie około 2% rozproszonego pyłku uczestniczy ostatecznie w zapłodnieniu, a pozostałe 98% zostaje utracone podczas transportu – mówi Barbara Płaskonka z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.
– Z kolei starsze techniki, takie jak znaczniki radioaktywne czy barwniki fluorescencyjne, budziły obawy związane z bezpieczeństwem środowiskowym lub dokładnością uzyskiwanych wyników. Kropki kwantowe pozwalają śledzić ruch pyłku bezpośrednio w warunkach terenowych i stanowią obecnie jedno z najbardziej obiecujących narzędzi do badania rzeczywistego transferu pyłku między roślinami – tłumaczy badaczka.
Jak oznakować pyłek?
Kropki kwantowe (quantum dots, QDs) to maleńkie cząstki materiałów półprzewodnikowych, takich jak selenek kadmu, mające zaledwie kilka nanometrów średnicy. Po oświetleniu światłem UV zaczynają świecić określonym kolorem, dlatego mogą służyć jako znacznik.
W praktyce kropki kwantowe zawiesza się w lotnym rozpuszczalniku, w tym przypadku heksanie, a niewielką ilość takiego roztworu nanosi pipetą bezpośrednio na pylniki kwiatu.
Heksan szybko odparowuje, a nanocząstki pozostają na ziarnach pyłku. Dzięki temu badacze mogą później sprawdzić, dokąd pyłek został przeniesiony przez zapylacze i z którego kwiatu pochodził.
– Nasze badanie nie było ukierunkowane na analizę mechanizmu fizykochemicznego wiązania kropek kwantowych z powierzchnią pyłku. Potwierdziliśmy jednak, że po aplikacji na pyłek rzepaku kropki kwantowe dobrze przylegały do ziaren i pozostawały wyraźnie widoczne pod światłem UV. Z wcześniejszych badań wiadomo, że po odparowaniu heksanu mogą pozostawać związane z ziarnami pyłku nawet po intensywnym mieszaniu, co wskazuje na trwałość tego połączenia. Nie badaliśmy natomiast, czy skuteczność znakowania zależy od morfologii pyłku różnych gatunków roślin. Co ciekawe, pyłek rzepaku ma nieco inną budowę powierzchni niż wiele gatunków analizowanych wcześniej, a mimo to znakowanie było skuteczne. Sugeruje to, że metoda może działać także u roślin o różnej morfologii pyłku – mówi badaczka.
Pozostawało jednak ważne pytanie: czy samo oznakowanie pyłku nie zmienia zachowania owadów?
Jeśli pszczoły wyczuwają obecność kropek kwantowych albo inaczej reagują na oznakowane kwiaty, metoda mogłaby zaburzać to, co naukowcy chcą za jej pomocą obserwować.
Badacze postanowili więc sprawdzić, czy znakowanie wpływa na to, jak często zapylacze odwiedzają kwiaty i jak długo na nich pozostają.
Eksperyment w Ogrodzie Botanicznym UW
Żeby to sprawdzić, naukowcy z Ogrodu Botanicznego Wydziału Biologii UW przeprowadzili eksperyment na rzepaku ozimym (Brassica napus cv. Monolit).
Rośliny najpierw hodowano w kontrolowanych warunkach, a gdy pojawiły się pąki, przeniesiono je na zewnątrz, do Ogrodu Botanicznego UW. Tam badacze mogli już obserwować, jak na kwiaty reagują naturalnie pojawiające się zapylacze.
– Naszym celem było sprawdzenie, czy różne kolory kropek kwantowych mogą w odmienny sposób wpływać na zachowanie zapylaczy. Dlatego spośród dostępnych na rynku kropek kwantowych wybraliśmy dwa warianty skrajne pod względem długości emitowanej fali – 530 nm i 700 nm – oraz jeden wariant pośredni, 590 nm. Takie podejście pozwalało ocenić, czy ewentualny wpływ znakowania zależy od barwy fluorescencji. Jednocześnie są to kolory łatwe do odróżnienia przez człowieka podczas obserwacji pod światłem UV. Jest to szczególnie ważne w badaniach transferu pyłku, ponieważ różne kolory kropek kwantowych mogą być przypisane do różnych roślin lub grup roślin, co pozwala określić pochodzenie pyłku przenoszonego przez zapylacze. Nasze wyniki pokazały, że zapylacze nie różnicowały kwiatów oznakowanych różnymi kolorami kropek kwantowych, co potwierdza możliwość równoczesnego wykorzystania kilku barw w jednym eksperymencie – wyjaśnia Barbara Płaskonka.
W eksperymencie badacze porównali pięć grup roślin. Pierwsza nie była w żaden sposób znakowana i stanowiła próbę kontrolną.
W drugiej na pylniki nanoszono sam heksan, czyli rozpuszczalnik używany do aplikacji kropek kwantowych.
W trzech pozostałych stosowano kropki zawieszone w heksanie, które po oświetleniu UV świeciły na żółto (530 nm), pomarańczowo (590 nm) lub czerwono (700 nm).
Taki układ pozwalał sprawdzić osobno, czy na zachowanie zapylaczy wpływa sam rozpuszczalnik oraz czy znaczenie ma obecność i kolor kropek kwantowych.
Badanie objęło 160 roślin rzepaku. Każdą z nich nagrywano przez półtorej godziny dziennie przez dwa kolejne dni, co dało łącznie 480 godzin materiału. Na nagraniach badacze zarejestrowali 8936 wizyt zapylaczy.
Zdecydowanie najczęściej pojawiały się pszczoły miodne, które odpowiadały za 76 proc. wszystkich wizyt, oraz pszczoły samotnice – za 23 proc. Pozostałe wizyty składały trzmiele, bzygowate, inne muchówki i motyle.
Heksan pod lupą
Najwyraźniejszą reakcję na zastosowane znakowanie zaobserwowano u pszczół miodnych. Rzadziej odwiedzały one rośliny, których pyłek potraktowano samym heksanem lub roztworem heksanu z kropkami kwantowymi, niż rośliny z grupy kontrolnej.
Co ważne, pod względem liczby wizyt warianty z kropkami kwantowymi nie różniły się istotnie od wariantu z samym heksanem. Wskazuje to, że za obserwowany efekt odpowiadał przede wszystkim rozpuszczalnik, a nie same nanocząstki.
– Nasze badanie nie było ukierunkowane na identyfikację fizjologicznych ani ewolucyjnych przyczyn obserwowanych zachowań, dlatego nie jesteśmy w stanie jednoznacznie stwierdzić, dlaczego pszczoły miodne reagowały silniej na kwiaty potraktowane heksanem niż inne grupy zapylaczy. Nasze wyniki pokazują, że pszczoły miodne odwiedzały takie kwiaty rzadziej niż kwiaty kontrolne, co sugeruje, że heksan mógł przejściowo zmieniać sygnały wykorzystywane przez nie do oceny kwiatów, przede wszystkim zapach pyłku lub właściwości optyczne pylników. W przypadku pszczół samotnic nie zaobserwowaliśmy spadku liczby wizyt – mówi badaczka.
Nie oznacza to jednak, że pszczoły samotnice w ogóle nie reagowały na zastosowane substancje. W ich przypadku zmiany pojawiały się dopiero po wylądowaniu na roślinie i dotyczyły liczby odwiedzanych kwiatów oraz czasu spędzanego na pojedynczym kwiecie.
Podczas jednej wizyty odwiedzały mniej kwiatów na roślinach potraktowanych samym heksanem oraz żółtymi kropkami (530 nm) niż na roślinach kontrolnych. Różnił się też czas spędzany na pojedynczym kwiecie.
Najdłużej samotnice pozostawały na kwiatach oznaczonych żółtymi kropkami (530 nm) – średnio około 18 sekund, podczas gdy na kwiatach kontrolnych było to około 13 sekund.
Przy samym heksanie oraz kropkach pomarańczowych (590 nm) i czerwonych (700 nm) czas wizyt mieścił się pomiędzy tymi wartościami.
– Na podstawie naszych danych nie możemy jednoznacznie rozstrzygnąć, czy dłuższy czas przebywania pszczół samotnic na potraktowanych kwiatach wynikał z ich gorszych zdolności motorycznych po kontakcie z rozpuszczalnikiem, czy raczej z dezorientacji zmysłowej. W badaniu nie analizowaliśmy ich zdolności motorycznych ani funkcjonowania układu nerwowego. W dyskusji sugerujemy, że dłuższe wizyty mogą wynikać z potrzeby dokładniejszej oceny zmienionych sygnałów wzrokowych i zapachowych związanych z nagrodą kwiatową. Potwierdzenie tego wymaga jednak dodatkowych eksperymentów – mówi Barbara Płaskonka.
Badacze rozważają też, czy różnica między pszczołami miodnymi a samotnicami może mieć związek ze społecznym trybem życia tych pierwszych.
Pszczoły miodne przekazują sobie informacje o źródłach pokarmu. Teoretycznie więc, jeśli pierwsze robotnice uznały kwiaty potraktowane heksanem za mniej atrakcyjne, mogło to wpłynąć również na zachowanie kolejnych. Tego mechanizmu jednak w eksperymencie nie badano, dlatego pozostaje on jedynie hipotezą.
Wygląd, smak i zapach
Co właściwie mogło zmienić zachowanie pszczół?
Naukowcy sprawdzili między innymi, czy heksan wpływa na wygląd pylników. Zmierzyli, jak odbijają one światło w zakresie 350–700 nm obejmującym większość światła widzialnego.
Po zastosowaniu heksanu pylniki odbijały mniej światła, a największe różnice pojawiły się między 550 a 680 nm, czyli mniej więcej w zakresie od zieleni i żółci, przez pomarańcz, po czerwień.
Zmiana dotyczyła więc przede wszystkim ilości odbijanego światła, a nie przesunięcia barwy na inną część widma. Autorzy uważają, że u pszczół miodnych sama ta różnica raczej nie tłumaczy obserwowanego zachowania.
Innym możliwym wyjaśnieniem jest zapach. Pyłek otoczony jest warstwą lipidową, tzw. balsamem pyłkowym. Heksan może usuwać część lipidów z powierzchni pyłku i w ten sposób chwilowo zmieniać jego charakterystyczny zapach. Nie można też całkowicie wykluczyć, że pszczoły wyczuwały śladowe ilości rozpuszczalnika.
Trzecia możliwość to smak. Jeśli kontakt z heksanem choć trochę zmienił smak pyłku, owady mogły inaczej oceniać oferowany przez kwiat pokarm. Badanie nie pozwala jednak rozstrzygnąć, który z tych mechanizmów miał największe znaczenie.
Co zamiast heksanu?
Analiza pokazała też, jak ważna była grupa roślin potraktowanych wyłącznie heksanem. Dzięki niej naukowcy mogli sprawdzić, czy na zachowanie pszczół wpływają same kropki kwantowe, czy raczej rozpuszczalnik, w którym je zawieszono. Wyniki wskazały przede wszystkim na heksan.
Czy zatem nie wystarczy po prostu zastąpić go innym rozpuszczalnikiem?
– Obecnie nie wskazujemy jednego konkretnego związku, który mógłby zastąpić heksan. Wybór nośnika powinien uwzględniać nie tylko skuteczność znakowania pyłku, ale także potencjalny wpływ na zachowanie zapylaczy oraz bezpieczeństwo środowiskowe. Na obecnym etapie rekomendujemy przede wszystkim stosowanie kontroli z samym rozpuszczalnikiem, aby oddzielić wpływ kropek kwantowych od wpływu nośnika. Poszukiwanie substancji skutecznych, a jednocześnie neutralnych dla zapylaczy i bezpiecznych środowiskowo, stanowi ważny kierunek dalszych prac – podsumowuje badaczka.
