Φθορίζουσες μπλε λαμπερές μπανάνες:Ένα μυστήριο που επισκέφθηκε ξανά

Τα φρούτα της μπανάνας είναι είτε πράσινα, κίτρινα ή μαύρα. Παραδόξως, οι μπανάνες λάμπουν μπλε όταν παρατηρούνται κάτω από μαύρο φως. Είχε προηγουμένως υποτεθεί ότι η μπλε λάμψη προκλήθηκε κυρίως από φθορίζοντες καταβολίτες χλωροφύλλης (FCC).

Η επιστήμη έχει προχωρήσει κοιτάζοντας απλώς μέσα από το μικροσκόπιο με περισσότερες λεπτομέρειες. Στην πρόσφατη μελέτη μας με τίτλο «Η φθορίζουσα μπλε λάμψη των φρούτων της μπανάνας δεν οφείλεται σε συμπλασματικό πλαστιδιακό καταβολισμό, αλλά προκύπτει από αδιάλυτες φαινόλες που εστεροποιούνται στο κυτταρικό τοίχωμα» που δημοσιεύτηκε φέτος στο περιοδικό Plant Science (Τόμος 275 σελ. 75-83) , αντικρούουμε την ερμηνεία ότι η φθορίζουσα μπλε λάμψη προκλήθηκε κυρίως από το FCC που δημιουργήθηκε μέσα στο κύτταρο. Τα διαρκή στοιχεία επανεξετάστηκαν κριτικά προκειμένου να ρίξει νέο φως σε ένα ενδιαφέρον φαινόμενο.

Γιατί ακριβώς οι μπανάνες αποκτούν ή χάνουν το χρώμα ή τη λάμψη τους; Είναι η παρουσία ή η απουσία ενός δεδομένου μορίου η αιτία αυτής της μετατόπισης χρωμάτων; Ποια υποκυτταρικά διαμερίσματα και μόρια είναι η αιτία που οι μπανάνες εμφανίζονται πράσινες, κίτρινες, κόκκινες, μπλε ή μαύρες κάτω από διαφορετικά φώτα; Η απάντηση, φίλε μου, λάμπει στον άνεμο.

Σημασία της εργασίας

Το γεγονός ότι τα φρούτα της μπανάνας λάμπουν μπλε κάτω από το υπεριώδες φως είναι ένα ενδιαφέρον θέμα που χρήζει επιστημονικής διευκρίνισης. Πριν από δέκα χρόνια, ορισμένα άρθρα από τους καθηγητές Bernhard Kräutler, Thomas Müller, Clemens Vergeiner και Simone Moser στην Αυστρία παρουσίασαν αυτό το ενδιαφέρον θέμα σχετικά με την αποικοδόμηση της χλωροφύλλης και τον φθορισμό των φυτών. Θέσαμε ερωτήσεις και επισημάναμε τα αντιληπτά προβλήματα ερμηνείας με δημοσιευμένες αναφορές σε περιοδικά υψηλής κατάταξης, όπως το PNAS και το Angew Chem.

Η εργασία πραγματοποιήθηκε στο μεξικανικό ερευνητικό ινστιτούτο, Cinvestav Irapuato, στο Εθνικό Εργαστήριο PlanTECC, το οποίο επικεντρώνεται στη φαινομενική των φυτών (παγκόσμιος χαρακτηρισμός του φαινοτύπου των φυτών). Χρησιμοποιώντας όργανα αιχμής, π.χ. Το Cytation 5 από την Biotek, παρέχουμε τεχνικές υπηρεσίες λεπτομερών μικροσκοπικών αναλύσεων που απεικονίζουν την υποκυτταρική κατανομή των μεταβολιτών των φυτών σε διάφορα είδη καλλιεργειών όπως ο αραβόσιτος, η πατάτα, η ντομάτα και η μπανάνα.

Εισαγωγή στο αίνιγμα του χρώματος της μπανάνας

Τα στάδια ωρίμανσης της μπανάνας διακρίνονται με βάση το χρώμα και την ανάπτυξη καφέ κηλίδων. Οι πράσινες χλωροφύλλες εξαφανίζονται οπτικά στους καρπούς της μπανάνας που ωριμάζουν καθώς οι φλούδες αποκτούν κίτρινο χρώμα. Είχε προηγουμένως θεωρηθεί ότι η μπλε λάμψη προκλήθηκε κυρίως από φθορίζοντες καταβολίτες χλωροφύλλης (FCCs). Αυτές οι ερμηνείες σχετικά με τις FCC παρουσιάστηκαν σε αρκετές εφημερίδες μεταξύ 2008 και 2011 και, κατά συνέπεια, έγιναν αποδεκτές από το κοινό. Μια δασκάλα το 2011 έκανε πειράματα στο σπίτι εμπνευσμένα από τον τίτλο:τα μήλα είναι κόκκινα και οι μπανάνες μπλε. Οι μπλε λαμπερές μπανάνες έγιναν δημοφιλές θέμα στις σχολικές εκθέσεις επιστήμης σε όλο τον κόσμο μέσω πολλών ιστοσελίδων στο Διαδίκτυο όπως οι εξής:livescience, ediblesciencefaire, Nationalgeographic, phys.org, arstechnica, prospect, newscientist και telegraph.co.uk.

Επίμονη ερώτηση κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων

Οι δάσκαλοι μπορεί να εντυπωσιάζουν τους μαθητές με ένα χρωματικό αίνιγμα, αλλά ως επιστήμονες αισθανόμαστε υποχρεωμένοι να επιθεωρήσουμε τα εσωτερικά διαμερίσματα των φυτικών κυττάρων κάτω από το μικροσκόπιο φθορισμού σε υψηλή ανάλυση. Ο αυτοφθορισμός επιτρέπει την οπτικοποίηση μεταβολιτών σε φυτά και κύτταρα. Η τεχνική απεικόνισης φθορισμού δεν μπορεί να εφαρμοστεί μόνο σε καρπούς μπανάνας αλλά και σε πολλούς τομείς βοτανικής έρευνας όπως η φαινομενική των φύλλων. Για παράδειγμα, τα τριχώματα Arabidopsis δεν περιέχουν καταβολίτες χλωροφύλλης (FCC), αλλά λάμπουν έντονα μπλε λόγω πολλών αλκαλοειδών και φαινολικών ενώσεων όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Μας αρέσει να κατανοούμε την υποκυτταρική κατανομή των μεταβολιτών, καθώς τα βιοσυνθετικά μονοπάτια των φυτών και η ρύθμισή τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον υποκυτταρικό διαμερισμό των ενζύμων και των μεταβολιτών (Farre et al., 2001; Tiessen et al., 2002). Επιπλέον, η σηματοδότηση επηρεάζεται από την υποκυτταρική θέση, τη ροή και τους μεταφορείς μεμβράνης (Tiessen et al., 2012; Tiessen and Padilla-Chacon, 2013). Για παράδειγμα, οι συγκεντρώσεις σακχαρόζης, 3PGA, Pi και τρεαλόζης-6-Ρ μέσα στο κυτοσόλιο ή το πλαστίδιο ρυθμίζουν τη σύνθεση αμύλου στους κονδύλους πατάτας (Kolbe et al., 2005). Στους κόκκους του καλαμποκιού και του κριθαριού, η υποκυτταρική μεταφορά της ADP-γλυκόζης από το κυτταρόπλασμα στο πλαστίδιο καθορίζει την περιεκτικότητα σε άμυλο (Tiessen et al., 2012). Εάν τα FCC είναι η κύρια αιτία της μπλε λάμψης μιας μπανάνας, τότε η υποκυτταρική προέλευση του μπλε φθορισμού θα πρέπει να συμπίπτει με την υποκυτταρική συσσώρευση των διαλυτών μορίων FCC.

Η επιστήμη προχωρά όταν κοιτάμε με περισσότερη λεπτομέρεια ή όταν οι περίεργοι μαθητές θέτουν προφανώς ασήμαντα ερωτήματα. Ένας δάσκαλος ένιωσε απογοητευμένος με το πρώτο πείραμα λόγω της έλλειψης ορατής διαφοράς μεταξύ ώριμων και άγουρων μπανανών και έπρεπε να ψάξει για φρούτα που ήταν πολύ πιο πράσινα από αυτά που ήταν διαθέσιμα στο σούπερ μάρκετ (Tepolt, 2011). Όταν προσπαθείτε να αναπαράγετε τα πειράματα του Moser et al  (2009), δεν μπορέσαμε να δούμε τον μπλε φθορισμό μέσα στο κυτταρόπλασμα, το κενοτόπιο ή το πλαστίδιο. Αναρωτηθήκαμε γιατί; Εντοπίσαμε μόνο μπλε φθορισμό στο κυτταρικό τοίχωμα. Μια παρατήρηση οδηγεί σε μια άλλη ερώτηση και ούτω καθεξής. Η αποικοδόμηση της χλωροφύλλης και η παραγωγή FCC δεν συνέβη μέσα στο κύτταρο; Μήπως τα στομάχια πρώτα αποδόμησαν τη δική τους χλωροφύλλη ακολουθούμενη από φθορίζοντα FCC που συσσωρεύονται στα γύρω κύτταρα που λάμπουν μπλε; Γιατί ο Moser et al  ανίχνευση στομάτων στη μέση των νεκρωτικών κηλίδων; Προφανώς απλές ερωτήσεις που αφορούσαν τις μπανάνες έγιναν πιο προκλητικές όταν ξεπέρασαν την καθιερωμένη επιστημονική γνώση. Ο έντονος μπλε φθορισμός των μπανανών οφειλόταν πραγματικά στην παροδική εμφάνιση των FCC μόνο στο κίτρινο στάδιο;

Η ανάγκη να κάνετε λεπτομερείς παρατηρήσεις για να καταλήξετε στα δικά σας συμπεράσματα

Όταν έκανα πειράματα με μεξικανικές μπανάνες, παρατήρησα ότι όχι μόνο οι κίτρινες μπανάνες έλαμπαν μπλε, αλλά και οι πράσινες και καφέ μπανάνες. Όλες οι μπανάνες λάμπουν μπλε, λίγο πολύ αλλά λάμπουν. Οι άγουρες μπανάνες φθορίζουν σε κόκκινο (~685 nm) όταν εκτίθενται σε μπλε φως (~450 nm), ενώ οι ώριμες μπανάνες φθορίζουν μπλε όταν εκτίθενται σε υπεριώδη ακτινοβολία (~370 nm).

Επιβεβαίωσα ότι μια μεγάλη αύξηση στην εκπομπή μπλε φθορισμού μπορεί πράγματι να παρατηρηθεί κατά τη διαδικασία ωρίμανσης των φρούτων της μπανάνας. Συγκρίθηκαν δείγματα φυτών σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Πράγματι, ο κόκκινος φθορισμός της χλωροφύλλης συσχετίστηκε αρνητικά με τον μπλε φθορισμό. Αυτό ήταν πιο εμφανές γύρω από τα στοματικά κύτταρα:οι μαύρες τρύπες με μπλε φθορισμό προκλήθηκαν από την παρουσία κόκκινης χλωροφύλλης όπως στην παρακάτω εικόνα.

Επιθεώρησα επίσης τα φύλλα των φυτών μπανάνας που καλλιεργούνται στο θερμοκήπιο και έλαβα παρόμοιες εικόνες όπως φαίνεται παρακάτω. Ο ιστός μπανάνας που είναι κίτρινος εμφανίζει ισχυρότερο μπλε φθορισμό από τον πράσινο ιστό. Και πάλι, τα αποτελέσματά μου ήταν σύμφωνα με προηγούμενα δημοσιευμένες εικόνες όπως στο (Vergeiner et al., 2013). Η ένταση του μπλε φθορισμού συσχετίστηκε αρνητικά με την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη, αλλά όπως μαθαίνουμε στο γυμνάσιο, η συσχέτιση δεν είναι πάντα απόδειξη άμεσης αιτιότητας.

Ο εσωτερικός πολτός της μπανάνας έλαμπε επίσης μπλε, αλλά ποτέ δεν περιείχε πράσινη χλωροφύλλη ούτε καταβολίτες όπως FCC. Ο μπλε φθορισμός του πολτού της μπανάνας μπορεί να προσελκύσει νυχτερίδες και άλλα ζώα που ψάχνουν για βρώσιμη τροφή στο τροπικό δάσος. Εκτός από τις μπανάνες, τα νύχια μου έλαμψαν επίσης έντονα μπλε όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, αλλά τα νύχια δεν είναι η καλύτερη πηγή διατροφής για τα θηλαστικά, έτσι δεν είναι;

Γιατί τα φθορίζοντα μπλε φωτοστέφανα εμφανίζονται μόνο σε ορισμένες μπανάνες;

Σε αντίθεση με την αναφορά των Moser et al (2009), δεν μπόρεσα να εντοπίσω τα μπλε φωτοστέφανα γύρω από τις καφέ κηλίδες των γηρασμένων φρούτων της μπανάνας. Αυτή η παρατήρηση υποδηλώνει ότι τα μπλε φωτοστέφανα δεν είναι ένα εγγενές χαρακτηριστικό της ωρίμανσης της μπανάνας και της αποικοδόμησης της χλωροφύλλης. Ο μπλε φθορισμός στην μπανάνα δεν προκαλείται κυρίως από τα FCC. Ίσως τα φωτοστέφανα να εμφανίζονται μόνο παροδικά σε δεδομένα χρονικά σημεία λόγω αύξησης των επιπέδων NADPH και του οξειδοαναγωγικού μεταβολισμού (απόκριση υπερευαισθησίας).

Ίσως τα μεξικάνικα φρούτα να είναι λιγότερο μολυσμένα λόγω μυκητοκτόνων θεραπειών. Ίσως τα φρούτα που δοκιμάστηκαν στην Αυστρία να καλλιεργήθηκαν ή να εμβολιάστηκαν διαφορετικά όπως στο Μεξικό. Εάν τα FCC είναι τα κύρια μόρια που ευθύνονται για τα μπλε φωτοστέφανα γύρω από νεκρωτικές κηλίδες, όπως αναφέρεται από τον Moser et al  (2009) παραμένει αμφίβολο και απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Το τραγούδι του Bob Dylan θα μπορούσε να εμπνεύσει τους μαθητές, εάν οι στίχοι τροποποιηθούν λίγο για να ταιριάζουν με αυτό το επιχείρημα:«Πόσες φορές μπορεί ένας άνθρωπος να γυρίσει το κεφάλι του, προσποιούμενος ότι απλά δεν βλέπει; Η απάντηση, φίλε μου, λάμπει στον άνεμο… ”

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο «Η φθορίζουσα μπλε λάμψη των φρούτων της μπανάνας δεν οφείλεται σε συμπλασματικό πλαστιδιακό καταβολισμό, αλλά προκύπτει από αδιάλυτες φαινόλες που εστεροποιούνται στο κυτταρικό τοίχωμα» που δημοσιεύτηκε το 2018 στο περιοδικό Plant Science (Τόμος 275 σελ. 75-83) . Το έργο εκτελέστηκε από τον Δρ. Axel Tiessen από το Cinvestav Irapuato, στο Εθνικό Εργαστήριο PlanTECC, το οποίο εστιάζει στη φαινομενική των φυτών.