ORCHIDBIOM
Związek interakcji roślina-zapylacz oraz mikrobiomu kwiatowego u storczyków zapylanych przez pszczoły i ptaki
Projekt badawczy finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w programie SONATA 19
Beneficjent: Uniwersytet Gdański
Kierownik projektu: dr Monika M. Lipińska
Tajemniczy świat zapylania storczyków – rola mikrobiomu kwiatowego
Przez długi czas rośliny były postrzegane jako samodzielne organizmy, funkcjonujące niezależnie od innych form życia. Jednak współczesna ekologia i biologia roślin pokazuje, że są one powiązane sieciami zależności z innymi organizmami, np. grzybami, bakteriami, czy owadami. Mikroorganizmy mogą wpływać na fizjologię roślin, ich rozwój, ekologię oraz rozmieszczenie. Nawet w kontekście zapylania roślin coraz więcej uwagi poświęca się mikrobiomowi kwiatowemu, czyli społeczności bakterii i grzybów zasiedlających kwiaty.
Do niedawna zapylanie rozumiano jako bezpośrednią interakcję między roślinami a ich zapylaczami. Dziś wiadomo, że to znacznie bardziej skomplikowany proces, w którym uczestniczą także inne organizmy. Mikrobiom kwiatowy może modyfikować atrakcyjność kwiatów dla zapylaczy poprzez zmianę ich zapachu, składu nektaru czy nawet wyglądu okwiatu.
Storczyki od wieków fascynują naukowców i kolekcjonerów. Mimo wielu badań na temat ich taksonomii czy ekologii, wciąż niewiele wiadomo o ich zapylaniu, zwłaszcza w przypadku gatunków tropikalnych. W konsekwencji, ta niezwykle zróżnicowana grupa roślin, nieustannie dostarcza nowych, zaskakujących informacji, a niebadane dotąd zależności między mikrobiomem a zapylaniem mogą rzucić nowe światło na te procesy. Szczególnie interesującym syndromem zapylania jest ornitogamia, czyli zapylanie przez ptaki. Ten mechanizm ewoluował wielokrotnie w różnych grupach roślin i odgrywa istotną rolę w ekosystemach górskich, gdzie trudne warunki klimatyczne ograniczają aktywność owadów. Charakterystyczne dla kwiatów zapylanych przez ptaki są czerwona czy pomarańczowa barwa, dzwonkowaty kształt kwiatu oraz duże ilości nektaru bogatego w sacharozę. Często brakuje im natomiast zapachu i szlaków nektarowych, które charakterystyczne są dla kwiatów zapylanych przez owady.
Dotychczasowe badania sugerują, że zapylanie przez ptaki wywodzi się z zapylania przez pszczoły. Jednak mechanizm tego przejścia pozostaje słabo zrozumiany. Właśnie dlatego w ramach naszego projektu chcemy zbadać, jakie czynniki mogły na to wpłynąć, zwracając szczególną uwagę na rolę mikroorganizmów zasiedlających kwiaty. Istnieją bowiem przesłanki, że metabolity drobnoustrojów mogą wpływać na sygnalizację nagród oferowanych zapylaczom.
Głównym celem naszych badań jest porównanie mikrobiomu kwiatowego storczyków zapylanych przez pszczoły i ptaki oraz sprawdzenie, czy mikroorganizmy mogą modyfikować skład chemiczny ich zapachu czy nektaru. Chcemy także przetestować hipotezę, że zamiana mikrobiomu między tymi grupami roślin może wpłynąć na rodzaj odwiedzających je zapylaczy. Nasze kluczowe pytania badawcze to:
- Czy skład mikrobiomu kwiatowego różni się między storczykami zapylanymi przez pszczoły i ptaki, a jeśli tak, to w jakim stopniu?
- Czy zmiana mikrobiomu wpływa na skład chemiczny atraktantów kwiatowych, takich jak zapach i nektar?
- Czy przeniesienie mikrobiomu z kwiatów zapylanych przez ptaki na kwiaty zapylane przez pszczoły (i odwrotnie) spowoduje zmianę w grupach odwiedzających je zwierząt?
Badania będą prowadzone w Kostaryce – kraju o wyjątkowo bogatej florze storczyków. Skupimy się na dziesięciu gatunkach z dobrze poznanego podplemienia Maxillariinae Benth. Nasz projekt obejmuje zarówno prace terenowe, jak i laboratoryjne. W terenie zbierzemy materiał roślinny, pobierzemy próbki zapachu i nektaru oraz mikrobiomu, przeprowadzimy ponadto obserwacje zapylaczy i ich zachowania w kontekście zamian mikrobiomu. W laboratorium wykonamy analizę mikrostruktury kwiatów (skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa, barwienia histochemiczne), oznaczymy skład chemiczny nektaru i zapachu (chromatografia gazowa, spektrometria mas), a także przeprowadzimy analizę mikrobiomu metodą metabarcodingu.
Spodziewamy się, że wyniki tych badań pozwolą lepiej zrozumieć mechanizmy ewolucji systemów zapylania u storczyków neotropikalnych oraz przyczynią się do odkrycia nowych mechanizmów kształtujących te procesy. Uzyskane dane mogą również znaleźć zastosowanie praktyczne w ochronie tych niezwykłych roślin i ich ekosystemów, a także wzbogacić naszą wiedzę o funkcjonowaniu storczyków w ich naturalnym środowisku.
Zespół
Dr Monika M. Lipińska specjalizuje się w biologii, ekologii zapylania oraz taksonomii tropikalnych storczykowatych, ze szczególnym uwzględnieniem gatunków Nowego Świata. Jej badania obejmują obserwacje zapylania w terenie oraz analizę atraktantów kwiatowych przyciągających zapylaczy z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej, barwień histochemicznych oraz analizy chemicznej.
Zainteresowania badawcze Julity Minasiewicz obejmują szeroki zakres zagadnień związanych ze storczykami, w tym ich biologię, genetykę populacyjną, interakcje mykoryzowe oraz ochronę. Szczególnie interesuje ją rola grzybów w kształtowaniu ewolucji troficznej storczyków oraz interakcje grzybowo-storczykowe na poziomie molekularnym, które bada z wykorzystaniem technik omicznych.
Zainteresowania badawcze Aleksandry Naczk koncentrują się na genetyce populacyjnej, filogeografii oraz ochronie gatunków zagrożonych, przy wykorzystaniu zarówno metod morfologicznych, jak i molekularnych. Łączy podejście statystyczne i bioinformatyczne do analizy uzyskanych wyników. Jej obecne badania koncentrują się głównie na kompleksie Dactylorhiza incarnata/maculata na różnych poziomach jego organizacji.
Badania Małgorzaty Kozieradzkiej-Kiszkurno koncentrują się na biologii rozmnażania płciowego roślin okrytonasiennych, obejmując rozwój, ultrastrukturę oraz cytochemię woreczka zalążkowego, zarodka i bielma. Zajmuje się również badaniem wydzielniczych struktur kwiatowych w rodzinie Orchidaceae.
Badania Marcina Jąkalskiego koncentrują się na stosowaniu metod bioinformatycznych do analizy różnych rodzajów danych biologicznych pochodzących zarówno od organizmów modelowych, jak i niemodelowych. W swoich badaniach wykorzystuje nowoczesne techniki NGS, aby badać molekularne mechanizmy regulacji ekspresji genów, etiologię chorób oraz różne procesy metaboliczne.
Robert R. Junker jest ekologiem badającym reakcje ekosystemów na zmiany związane z globalnymi czynnikami. W ramach badań obserwacyjnych i eksperymentalnych zarówno w terenie, jak i w laboratorium, bada, jak zmiany klimatyczne, zmiany użytkowania gruntów oraz zanieczyszczenie wpływają na różnorodność i skład społeczności roślinnych, zwierzęcych oraz mikroorganizmów, a także na funkcje ekosystemów. Jego wyniki stanowią cenną podstawę do przewidywania przyszłych zmian ekologicznych oraz do podejmowania decyzji dotyczących ochrony przyrody, które pozwolą lepiej chronić i zarządzać ekosystemami.
Badania Stefana Dötterla koncentrują się na ekologii i ewolucji sygnałów kwiatowych oraz interakcjach roślin-zapylacze. Jego główne zainteresowania obejmują identyfikację sygnałów kwiatowych wykorzystywanych przez owady do lokalizowania nagradzających roślin dzikich i uprawnych, zrozumienie systemów mimikry w roślinach zwodniczych oraz wyjaśnienie roli sygnałów kwiatowych w ewolucji okrytonasiennych.
Adam Karremans jest badaczem z Kostaryki i Holandii, który zajmuje się ekologią, ewolucją, filogenezą i systematyką rodziny storczykowatych. Jego badania koncentrują się głównie na taksonomii epifitów neotropikalnych, różnorodności storczyków oraz interakcjach ekologicznych między roślinami, ich zapylaczami i roznosicielami nasion.
Melania Fernández jest profesorem i badaczem na Uniwersytecie Kostaryki. Jej badania koncentrują się na roli grzybów mykoryzowych w koegzystencji i rozmieszczeniu storczyków epifitycznych. Stosuje również narzędzia morfologiczne, ekologiczne, molekularne i biogeograficzne do oceny tożsamości, rozmieszczenia oraz relacji filogenetcznych przedstawicieli rodziny storczykowatych. Obecnie Melania prowadzi zajęcia z zakresu rysunku naukowego, ornitologii, botaniki rolniczej oraz botaniki ogólnej na Uniwersytecie Kostaryki.
Badania Keilora Rojas-Jiméneza koncentrują się na ekologii mikroorganizmów w ekosystemach tropikalnych, w tym na badaniu mikrobiomów i mykobiomów.
Badania Luisa Sandovala koncentrują się na zachowaniu zwierząt, ze szczególnym uwzględnieniem komunikacji, doboru płciowego oraz adaptacji do środowisk miejskich u gatunków neotropikalnych. Jako biolog pracujący w strefie tropikalnej podkreśla znaczenie integracji badań nad historią naturalną z podejściem eksperymentalnym. Zwraca uwagę na niedobór informacji dotyczących historii naturalnej wielu gatunków tropikalnych i podkreśla jej istotną rolę jako podstawy do testowania hipotez oraz opracowywania programów ochrony przyrody.