Dla niedoświadczonego oka rośliny mogą wydawać się rosnąć raczej impulsywnie, wyskakując losowo z liści, tworząc jedną wielką zieloną mieszankę. Przyjrzyj się jednak bliżej, a zobaczysz, że w całym świecie przyrody pojawia się kilka dziwnie regularnych wzorów, od zrównoważonej symetrii pędów bambusa po hipnotyzujące spirale sukulentów.
W rzeczywistości wzorce te są na tyle spójne, że zimna, twarda matematyka może dość dobrze przewidzieć wzrost organiczny. Jednym z założeń, które było kluczowe w badaniu filotaksji lub wzorów liści, jest to, że liście chronią ich przestrzeń osobistą. Opierając się na pomyśle, że już istniejące liście mają hamujący wpływ na nowe, dając sygnał, aby uniemożliwić innym wzrost w pobliżu, naukowcy stworzyli modele, które mogą z powodzeniem odtworzyć wiele wspólnych projektów natury. Na przykład zawsze fascynująca sekwencja Fibonacciego pojawia się we wszystkim, od aranżacji nasion słonecznika, przez skorupki łodzików po szyszki. Obecnie panuje zgoda co do tego, że ruchy auksyny hormonu wzrostu i białek transportujących ją w obrębie rośliny są odpowiedzialne za takie wzorce.
Układ liści z jednym liściem na węzeł nazywa się naprzemienną filotaksją, natomiast układ z dwoma lub więcej liśćmi na węzeł nazywa się filotaksją zwojową. Typowymi alternatywnymi typami są dystylna filotaksja (bambus) i filotaksja spiralna Fibonacciego (soczysty aloes spiralny), a typowe spiralne typy to decussate fililaksja (bazylia lub mięta) i trójlistna fililaksja ( oleander nerium, zwany czasem psim). (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Jednak niektóre układy liści nadal kumulują popularne modele wzrostu roślin, w tym równania Douady i Coudera (znane jako DC1 i DC2), które dominują od lat 90. Zespół prowadzony przez naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego badający krzew znany jako Orixa japonica stwierdził, że wcześniejsze równania nie były w stanie odtworzyć niezwykłej struktury rośliny, dlatego postanowili przemyśleć sam model. Ich zaktualizowany model, opisany w nowym badaniu w PLOS Computational Biology, nie tylko odtwarza niegdyś nieuchwytny wzór, ale może także opisywać inne, bardziej powszechne aranżacje lepsze niż poprzednie równania, mówią autorzy.
„W większości roślin wzory fillotaktyczne mają symetrię - symetrię spiralną lub symetrię promieniową” - mówi fizjolog roślin z Uniwersytetu Tokijskiego Munetaka Sugiyama, starszy autor nowego badania. „Ale w tej specjalnej roślinie, Orixa japonica, wzór filotaktyczny nie jest symetryczny, co jest bardzo interesujące. Ponad 10 lat temu przyszedł mi do głowy pomysł, że niektóre zmiany siły hamującej każdego z liści primordium mogą wyjaśnić ten szczególny wzór. ”
Botanicy używają kątów rozbieżności lub kątów między kolejnymi liśćmi, aby zdefiniować filotaksję rośliny. Podczas gdy większość wzorów ułożenia liści utrzymuje stały kąt rozbieżności, krzew O. japonica, który pochodzi z Japonii i innych części Azji Wschodniej, wyrasta z liści w naprzemiennej serii czterech powtarzających się kątów: 180 stopni, 90 stopni, 180 stopni ponownie, następnie 270 stopni.
Krzew Orixa japonica z widocznymi różnymi kątami rozbieżności liści. (Qwert1234 przez Wikicommons pod CC BY-SA 4.0) Ten wzorzec, który naukowcy nazwali filotaksją „oriksatową”, nie jest tylko jednorazową anomalią, ponieważ rośliny z innych taksonów (jak kwiat Kniphofia uvaria z „gorącym pokerem” lub mirt krepowy Lagerstroemia indica ) naprzemiennie liści w tym samym skomplikowana sekwencja. Ponieważ układ liści pojawia się w różnych miejscach ewolucyjnego drzewa, autorzy doszli do wniosku, że podobieństwo wynika ze wspólnego mechanizmu, który uzasadniał dalsze badania.
Po przetestowaniu równań Douady'ego i Coudera o różnych parametrach autorzy mogli uzyskać wzory zbliżone do naprzemiennego układu oriksatów, ale żadna z symulowanych roślin nie pasowała idealnie do próbek O. japonica, które zbadali i zbadali. Zespół zbudował nowy model, dodając kolejną zmienną do równań Douady i Coudera: wiek liści. Poprzednie modele zakładały, że siła hamowania liści pozostała niezmienna w czasie, ale ta stała „nie była naturalna z punktu widzenia biologii”, mówi Sugiyama. Zamiast tego zespół Sugiyamy pozwolił na to, by siła tych sygnałów „trzymania się z daleka” zmieniała się z czasem.
Powstałe modele - które zespół nazywa rozszerzonymi modelami Douady i Coudera, EDC1 i EDC2 - odniosły sukces, poprzez skomputeryzowany wzrost, skomplikowanych układów liści O. japonica . Oprócz tego wyczynu rozszerzone równania dały również wszystkie inne powszechne wzory liści i przewidywały naturalne częstotliwości tych odmian dokładniej niż w poprzednich modelach. Zwłaszcza w przypadku roślin ze wzorem spiralnym nowy model EDC2 przewidział „superominację” spirali Fibonacciego w porównaniu z innymi układami, podczas gdy poprzednie modele nie wyjaśniały, dlaczego ten konkretny kształt wydaje się występować wszędzie w naturze.
„Nasz model, EDC2, może generować oriksowane wzory oprócz wszystkich głównych rodzajów filotaksji. Jest to wyraźnie przewaga nad poprzednim modelem ”, mówi Sugiyama. „EDC2 lepiej pasuje również do naturalnego występowania różnych wzorów.”
Liście na gałęzi Orixa japonica (u góry po lewej) i schematyczny schemat filotaksji oriksatowej (po prawej). Wzór oriksatowy wyświetla osobliwą czterocyklową zmianę kąta między liśćmi. Obraz skaningowego mikroskopu elektronowego (środkowy i dolny lewy) pokazuje zimowy pąk O. japonica, gdzie liście zaczynają rosnąć. Pierwotne liście są oznakowane kolejno najstarszym liściem jako P8, a najmłodszym liściem jako P1. Etykieta O oznacza wierzchołek pędu. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama pod CC-BY) Autorzy nie mogą jeszcze stwierdzić, co dokładnie powoduje, że wiek liści wpływa na te wzorce wzrostu, chociaż Sugiyama spekuluje, że może to mieć związek ze zmianami w systemie transportu auksyny w trakcie rozwoju rośliny.
Ciera Martinez, biolog obliczeniowy, który nie był zaangażowany w badania, mówi, że takie tajemnice można rozwiązać poprzez „pchanie i ciągnięcie” między modelami obliczeniowymi a eksperymentami laboratoryjnymi. Model autorów stanowi ekscytujący krok w kierunku lepszego zrozumienia filotaksji i pozostawia miejsce dla innych botaników na uzupełnienie braków sekcją i analizą roślin.
„W przypadku modeli, chociaż możemy jeszcze nie znać dokładnego mechanizmu, otrzymujemy co najmniej mocne wskazówki, czego szukać”, mówi Martinez w e-mailu. „Teraz musimy przyjrzeć się bliżej mechanizmom molekularnym w prawdziwych roślinach, aby spróbować odkryć, co przewiduje model”.
Widok z góry wzorów ułożenia liści w filotaksji „oriksatowej”, gdy nowe liście (czerwone półkola) tworzą się ze wierzchołka pędu (środkowe czarne kółko) i rosną na zewnątrz. (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Zespół Sugiyamy pracuje nad dalszym udoskonaleniem swojego modelu i zmotywowaniem go do wygenerowania wszystkich znanych wzorców filotaktycznych. Jeden „tajemniczy” wzór liścia, spirala o niewielkim kącie rozbieżności, wciąż unika przewidywania obliczeniowego, chociaż Sugiyama uważa, że jest bliski złamania pełnego kodu.
„Nie uważamy, aby nasze badanie było praktycznie przydatne dla społeczeństwa”, mówi Sugiyama. „Mamy jednak nadzieję, że przyczyni się to do zrozumienia symetrycznego piękna przyrody”.
