ต้นอัลไพน์ปั่นขนแกะฟลาโวนอยด์ของตัวเอง

เช่นเดียวกับเวอร์ชันภาพยนตร์ของ  Spider-Man  ที่ยิงใยแมงมุมจากรูที่ข้อมือ พบว่ามีพืชอัลไพน์เล็กๆ ที่สามารถดึงใยแมงมุมออกจากรูเล็กๆ ในเซลล์พิเศษบนใบได้ หลุมเล็กๆ เหล่านี้เองที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์พืชต้องประหลาดใจ เพราะการเจาะพื้นผิวของเซลล์พืชโดยปกติจะทำให้มันระเบิดได้เหมือนบอลลูนน้ำ

ต้นไม้รูปหมอนยืนต้นขนาดเล็กที่มีดอกไม้สีเหลืองสดใส Dionysia tapetodesอยู่ในตระกูลพรีมูลาและเกิดขึ้นตามธรรมชาติในเติร์กเมนิสถานและทางตะวันออกเฉียงเหนือของอิหร่าน และผ่านภูเขาของอัฟกานิสถานไปยังชายแดนของปากีสถาน สิ่งที่ทำให้มันผิดปกติคือใบของมัน ซึ่งปกคลุมไปด้วยใยไหมยาวคล้ายใยแมงมุมละเอียดที่เรียกว่า ‘woolly farina’

ญาติของพรีมูลาจำนวนไม่น้อยมีใบที่เคลือบด้วยผงละเอียดซึ่งประกอบด้วยฟลาโวนเกือบทั้งหมด ซึ่งเป็นกลุ่มของฟลาโวนอยด์ ฟลาโวนอยด์เป็นโมเลกุลพิเศษขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญของพืช ซึ่งยังใช้เป็นสีและสารต้านอนุมูลอิสระในอาหารและการผลิต แต่ สายพันธุ์ Dionysia นี้ไม่มีผงฟลาโวนบนใบ แต่มีขนละเอียดมากหนาเพียง 1-2 ไมครอน ซึ่งบางกว่าเส้นผมมนุษย์มาก ซึ่งประมาณ 75 ไมครอน

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมืออย่างต่อเนื่องระหว่างสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์พืชแห่ง มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) และ สวนพฤกษศาสตร์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (CUBG) ไดโอ นี เซียได้รับการคัดเลือกจากคอลเล็กชั่นพืชที่ปลูก 8,000 สายพันธุ์ของ Botanic Garden เพื่อทำการวิเคราะห์ที่ SLCU สิ่งอำนวยความสะดวกหลักด้วยกล้องจุลทรรศน์

พอล แอสตัน ผู้เป็นหัวหน้าสวนพฤกษชาติอัลไพน์และวู้ดแลนด์กล่าวว่า “เส้นใยฟาริน่าที่ทำด้วยขนสัตว์ดูเหมือนจะครอบคลุมทั้งต้น ครอบคลุมพื้นผิวใบทั้งหมดด้วยเส้นด้ายที่เชื่อมระหว่างใบกับใบ” “ไม่มีใครรู้ว่าขนแกะนี้คืออะไรหรือเกิดขึ้นได้อย่างไร ดังนั้นเราจึงคิดว่านี่จะเป็นตัวอย่างที่น่าสนใจในการศึกษา มีหลายสิ่งหลายอย่างที่พืชสร้างขึ้นโดยที่เรายังไม่รู้ – โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับพืชบนเทือกเขาแอลป์ที่เราเห็นการดัดแปลงที่ผิดปกติหลายอย่างให้เข้ากับสภาพแวดล้อมในระดับความสูงที่รุนแรงซึ่งพวกมันอาศัยอยู่”

ตัวอย่างได้รับการวิเคราะห์โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนและแสงขั้นสูง ซึ่งเผยให้เห็นขนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไมครอนมีร่องขนานที่แตกต่างกันไปตามความยาวของพวกมัน แต่สิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดคือการที่ขนแกะโผล่ออกมาจากใบไม้ได้อย่างไร

“ใบไม้ถูกปกคลุมไปด้วยขนเล็กๆ ที่เรียกว่าไตรโคม ไตรโคมแต่ละตัวมีเซลล์ต่อมรูปทรงกลมที่ปลาย – เหมือนก้านที่มีเซลล์กลมเพียงเซลล์เดียวที่ส่วนปลาย – และเราสามารถเห็นเส้นด้ายที่โผล่ออกมาจากเซลล์ต่อมโดยตรง ผู้จัดการห้องปฏิบัติการ Sainsbury ของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ “แต่เรารู้ว่าเซลล์พืชล้อมรอบด้วยผนังเซลล์ที่ปกป้องและรักษาแรงดันภายในเซลล์ การเจาะรูผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และผนังเซลล์จะทำให้เซลล์แตกออก เหมือนกับการเจาะบอลลูนน้ำ”

แล้วเกลียวหลุดออกมาได้อย่างไรโดยไม่ทำให้เซลล์ระเบิด”

การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอันทรงพลังที่  Cambridge Advanced Imaging Center (CAIC)พวกเขาแบ่งเซลล์ต่อมและเมื่อขยายเข้าไปอาจเห็นช่องว่างเล็ก ๆ ในเซลล์ที่ใหญ่พอที่จะร้อยเส้นใยฟาริน่าขนสัตว์เพียงเส้นเดียว

ดร. Matthieu Bourdon ซึ่งเป็นนักวิจัยของ SLCU และผู้ร่วมเขียนรายงานที่ตีพิมพ์ใน BMC Plant Biologyกล่าวว่า “โรงงานจะผลิตเส้นใยภายในเซลล์แล้วร้อยด้ายผ่านช่องว่างที่กว้างเพียงพอสำหรับเส้นใย  นั้น มีการเปิดที่ชัดเจนในพลาสมาเมมเบรน ผนังเซลล์ และหนังกำพร้าที่สร้างรูที่ผนึกแน่นรอบเส้นใย – เรายังสามารถเห็นขี้ผึ้งบนผิวเซลล์ทำหน้าที่เหมือนปลั๊กเพื่ออุดช่องว่างใดๆ เราสังเกตเห็นเส้นใยหลายเส้นถูกดึงออกมาจากเซลล์ต่อมแต่ละเซลล์ที่จุดเฉพาะทั่วพื้นผิวของมัน โรงงานจะต้องเน้นการสร้างกลุ่มฟลาโวนภายในเซลล์ที่บริเวณทางออกที่เฉพาะเจาะจงเหล่านี้เพื่อสามารถผลิตเส้นใยที่ยืดออกได้”

ดร. Wightman ยังวิเคราะห์เคมีของเส้นใยเพื่อค้นหาสิ่งที่พวกเขาทำขึ้นจากการใช้กล้องจุลทรรศน์รามันของสถาบัน แต่โครงสร้างที่ซับซ้อนของขนแกะนั้นต้องการการวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้อุปกรณ์และทักษะเฉพาะทางจากภาควิชาเคมีของ  Yusuf Hamied ของมหาวิทยาลัย

ดร.โจเซฟีน เกย์นอร์ด จบการศึกษาระดับปริญญาเอกจากภาควิชาเคมีของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กล่าวว่า “การวิเคราะห์ตัวอย่างฟาริน่าที่ทำจากขนสัตว์เป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากตัวอย่างมีขนาดเล็กและความคล้ายคลึงกันของสารเคมีที่สร้างขึ้น การวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้เทคนิคโครมาโตกราฟีขั้นสูง แมสสเปกโตรเมทรี และเทคนิคนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) “มันช่วยให้เรารู้ว่าตัวอย่างส่วนใหญ่คือฟลาโวน ซึ่งเป็นสารเคมีที่เราสามารถซื้อและเปรียบเทียบกับตัวอย่างฟาริน่าที่ทำจากขนสัตว์ได้ ต้องขอบคุณการสนับสนุนที่ยอดเยี่ยมจากทีม NMR ในภาควิชาเคมี เราจึงสามารถดำเนินการวิเคราะห์ตามสั่งและจัดเตรียมโครงสร้างที่เป็นไปได้สำหรับฟลาโวนดัดแปลงที่มีอยู่ มันจะน่าสนใจมากที่จะติดตามงานนี้ในอนาคต”

Wightman กล่าวว่าพวกเขาคาดหวังว่าเส้นใยจะประกอบด้วยฟลาโวนอยด์คล้ายกับการเคลือบผงบนใบของพรีมูลาสายพันธุ์อื่น แต่รู้สึกทึ่งกับการที่สายพันธุ์นี้สามารถเปลี่ยนฟลาโวนให้เป็นเส้นใยคล้ายขนสัตว์ที่มีความเสถียรได้ “เราพบว่าผ้าขนสัตว์ที่ผลิตโดย  เทปกาว Dionysia  มีโครงสร้างทางเคมีพิเศษที่มีส่วนผสมของสารอนุพันธ์ของฟลาโวนและฟลาโวนที่อาจใช้พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลเพื่อสร้างเส้นใยที่ยาวขึ้น ซึ่งหมายความว่าภายในเซลล์จะต้องผสมฟลาโวนเหล่านี้อย่างแม่นยำในขณะที่เติมเข้าไปที่ส่วนท้ายของเส้นใยเพื่อที่ฟลาโวนเหล่านี้ออกจากช่องว่างเป็นเกลียวที่ต่อเนื่องกันเพียงเส้นเดียว เช่น การบีบยาสีฟันจากหลอดอย่างต่อเนื่อง”

ไซมอน วาลลิส ผู้ช่วย Alpine และ Woodland ของ CUBG กล่าวว่า “แม้ว่าจะไม่ทราบว่าฟาริน่าขนสัตว์มีจุดประสงค์อะไร แต่ก็คิดว่าอาจเป็นมาตรการป้องกันที่ให้ความทนทานต่อการแช่แข็ง ความแห้งแล้ง และ/หรือการปิดกั้นรังสียูวีสูง “ทฤษฎีหลังนี้ได้รับการสนับสนุนโดยข้อสังเกตที่เราสร้างขึ้นจากคอลเล็กชันอัลไพน์ของเรา เปรียบเทียบ  เทปพันธุศาสตร์ Dionysia  ที่ผลิตด้วยขนสัตว์ กับชุดย่อยของ  เทปพันสาย Dionysia ที่ไม่มีขนฟารินาและไวต่อแสงแดดแผดเผามากกว่า”

ทีมงานสนใจที่จะสำรวจคุณสมบัติของเส้นใยเหล่านี้เพิ่มเติมเพื่อพิจารณาว่าเส้นใยเหล่านี้เป็นวัสดุชีวภาพที่มีประโยชน์หรือไม่

เงินทุน

สิ่งอำนวยความสะดวกหลักด้วยกล้องจุลทรรศน์ SLCU ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิการกุศล Gatsby และภาควิชาเคมีได้รับการสนับสนุนจาก EPSRC, BBSRC, Royal Society, โครงการฝึกอบรมระดับปริญญาเอกของ BBSRC และ AstraZeneca

อ้างอิง

Matthieu Bourdon, Josephine Gaynord, Karin H. Müller, Gareth Evans, Simon Wallis, Paul Aston, David R. Spring, Raymond Wightman (2021) กล้องจุลทรรศน์และการวิเคราะห์ทางเคมีเผยให้เห็นเส้นใยขนสัตว์ที่มีฟลาโวนพุ่งออกมาจากรูขนาดไมครอนในต่อมไทรโคมของ  เทปพัน สาย  ไฟ Dionysia ชีววิทยาพืช BMC.

หน้าแรก