Premise: Imaging technologies that capture three-dimensional (3D) variation in floral morphology at micro- and nano-resolutions are increasingly accessible. In herkogamous flowers, such as those of Theobroma cacao, structural barriers between anthers and stigmas represent bottlenecks that restrict pollinator size and access to reproductive organs. To study the unresolved pollination biology of cacao, we present a novel application of micro-computed tomography (micro-CT) using floral dimensions to quantify pollinator functional size limits.
Methods: We generated micro-CT data sets from field-collected flowers and museum specimens of potential pollinators. To compare floral variation, we used 3D Slicer to place landmarks on the surface models and performed a geometric morphometric (GMM) analysis using geomorph R. We identified the petal side door (an opening between the petal hoods and filament) as the main bottleneck for pollinator access. We compared its mean dimensions with proposed pollinators to identify viable candidates.
Results: We identified three levels of likelihood for putative pollinators based on the number of morphological (body) dimensions that fit through the petal side door. We also found floral reward microstructures whose presence and location were previously unclear.
Discussion: Using micro-CT and GMM to study the 3D pollination biology of cacao provides new evidence for predicting unknown pollinators. Incorporating geometry and floral rewards will strengthen plant-pollinator trait matching models for cacao and other species.
Premisa: Las tecnologías de imagen que capturan la variación tridimensional (3D) en la morfología floral en resoluciones a nivel micro y nano son cada vez más accesibles. En las flores hercógamas, tal como las de cacao (Theobroma cacao L.), las barreras estructurales entre las anteras y los estigmas representan cuellos de botella que restringen el tamaño de los polinizadores y el acceso a los órganos reproductivos. Para estudiar la biología de polinización del cacao que hasta estos momentos no ha sido completamente explicada, presentamos una nueva aplicación de microtomografía computarizada (microTC) que utiliza dimensiones florales para cuantificar los límites de tamaño funcional de los polinizadores.
Métodos: Generamos conjuntos de datos microTC de flores recolectadas en el campo, así como especímenes de museo de potenciales polinizadores. Para comparar la variación floral, usamos el programa 3D Slicer para colocar puntos de referencia en los modelos de superficie y realizamos un análisis morfométrico geométrico (MGM) usando el programa geomorph R. Identificamos la parte lateral de los pétalos (abertura entre las capuchas de los pétalos y el filamento) como el cuello de botella principal para el acceso de los polinizadores. Comparamos las medias de sus dimensiones con las de los polinizadores propuestos para identificar candidatos viables.
Resultados: Identificamos tres niveles de probabilidad para los supuestos polinizadores basado en el número de dimensiones morfológicas (de cuerpo) que caben a través la parte lateral de los pétalos. Encontramos microestructuras de recompensa floral a lo largo de las rutas de los polinizadores cuya presencia y ubicación no estaban muy claras anteriormente.
Discusión: El uso de microTC y GMM para estudiar la biología de polinización tridimensional (3D) del cacao proporciona nueva evidencia para predecir el tamaño de polinizadores desconocidos. La incorporación del análisis geométrico y de las microestructuras de recompensa floral fortalecerá los modelos de combinación de características de plantas y polinizadores para el cacao y otras especies.
Premissa: Tecnologias que usam imagem para capturar a variação tridimensional (3D) na morfologia floral em resoluções micro e nano estão cada vez mais acessíveis. Em flores hercogâmicas, tal como as do cacao (Theobroma cacao), barreiras estruturais entre as anteras e estigmas representam gargalos que restringem o tamanho do polinizador e o acesso aos órgãos reprodutivos. Para estudar a polinização do cacau, apresentamos uma nova aplicação de microtomografia computadorizada (microTC) usando dimensões florais para quantificar os limites de tamanho funcional de polinizadores.
Métodos: Nós geramos conjuntos de dados de microTC para flores coletadas em campo e para espécimes de museus de potenciais espécies polinizadoras. Para comparar a variação floral, usamos o software 3D Slicer para determinar pontos de referência na superfície dos modelos. Realizamos também análises de morfometria geométrica (MGM) usando o pacote geomorph no software R. Nós identificamos a abertura lateral da pétala (entre a pétala cuculada e os filamentos) como o principal gargalo para o acesso do polinizador. Por fim, comparamos as dimensões médias das flores com a dos polinizadores propostos para identificar candidatos viáveis.
Resultados: Identificamos três níveis de probabilidade para os supostos polinizadores baseados no número de dimensões morfológicas (corporais) que se ajustam à parte lateral das pétalas. Também encontramos microestruturas presentes nas flores que servem como recompensas aos polinizadores, cuja presença e localização não eram claras anteriormente.
Discussão: O uso de microTC e MGM para estudar a biologia da polinização do cacau em 3D fornece novas evidências para prevermos polinizadores desconhecidos. A incorporação de análises geométricas e microestruturas de recompensa floral poderá fortalecer modelos que combinam características da associação planta – polinizador tanto para o cacau, quanto para outras espécies.
Keywords: 3D Slicer; Malvaceae; Theobroma; cacao; chocolate; geometric morphometrics; micro‐CT; pollination biology.
© 2023 The Authors. Applications in Plant Sciences published by Wiley Periodicals LLC on behalf of Botanical Society of America.