Nos encantan las hojas por su sombra, colores de otoño, olor, y la ubicación de las hojas de la planta es una forma práctica de determinar su especie. Sin embargo, los detalles de cómo las plantas controlan la ubicación de sus hojas siguen siendo un misterio inexplicable en la botánica. Recientemente, una especie de planta japonesa con un patrón inusual de disposición de hojas nos permitió observar de manera inesperada cómo casi todas las plantas controlan esta disposición.
“Hemos desarrollado un nuevo modelo para explicar un patrón particular de disposición de las hojas (filotaxis). Pero, de hecho, refleja mucho más precisamente no solo la naturaleza de esta planta en particular, sino también la gran variedad de casi todos los patrones de disposición de las hojas observados en la naturaleza ", dice Munetaka Sugiyama, profesor asociado en el Jardín Botánico Koisikawa de la Universidad de Tokio.
Se trata de las esquinas
Hojas en una rama de O. japonica
(arriba a la izquierda) y una representación esquemática del orixato de filotaxis (derecha). El patrón de orixato muestra un ciclo inusual de cambio de ángulos de las hojas, que consta de cuatro valores (de 180 grados a 90 grados, luego a 180 grados y a 270 grados). La imagen de un microscopio electrónico de barrido (en el centro y en la parte inferior izquierda) muestra el capullo de invierno Orixa japonica, en el que las hojas comienzan a crecer.
Los rudimentos de las hojas se etiquetan secuencialmente desde la hoja más antigua (P8) hasta la más joven (P1). El punto O marca la punta del rodaje.Para determinar la ubicación de las hojas, los botánicos miden los ángulos entre las hojas, moviéndose a lo largo del tallo desde la hoja más vieja hasta la más joven.
Los patrones estándar son simétricos, en los que las hojas están dispuestas a intervalos regulares de 90 grados (albahaca o menta), 180 grados (hierbas de tallo, como el bambú) o espirales de Fibonacci con
esquinas doradas (por ejemplo, agujas de algunos cactus esféricos o suculentas escarlatas de múltiples hojas).
Un patrón inusual estudiado por el equipo de investigación del profesor asociado Sugiyama se llama "orixate" en honor a
Orixa japonica , un arbusto nativo de Japón, China y la península de Corea. A veces,
O. japonica se usa como seto.
Los ángulos entre las hojas de
O. Japonica son 180 grados, 90 grados, 180 grados, 270 grados, y luego la siguiente hoja "restablece" el patrón a 180 grados.
"Nuestro estudio ofrece el potencial para comprender completamente los patrones asombrosos de la naturaleza", dice Sugiyama.
Matemáticas de plantas
El equipo de investigación de Sugiyama comenzó su estudio con una prueba exhaustiva de la ecuación matemática utilizada para modelar la colocación de la hoja.
Matemáticamente, la disposición de las hojas ha sido modelada desde 1996 usando una ecuación conocida como DC2 (Douady y Couder 2). La ecuación puede generar muchos, pero no todos, los patrones de distribución de la hoja observados en la naturaleza debido a un cambio en varias variables de la fisiología de la planta, como la relación entre los diferentes órganos de la planta o la intensidad de las señales químicas dentro de la planta.
DC2 tiene dos inconvenientes que los investigadores querían eliminar:
1) Cualesquiera que sean los valores sustituidos en la ecuación DC2, algunos patrones de patrones raros no se pueden calcular.
2) El patrón de la disposición de las hojas en una espiral de Fibonacci (espiral dorada) es el patrón espiral más común observado en la naturaleza, pero es solo un poco más común que otros patrones espirales calculados por la ecuación DC2.
Patrón inusual
Simulación de la filotaxis del orixato según Douady y Couder 2. Video de Takaaki Yonekura, CC-BY-ND, publicado originalmente en PLOS Computational Biology DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1007044Al menos cuatro especies de plantas no relacionadas tienen un patrón de disposición de hojas orixato inusual. Los investigadores sospechan que debería existir la posibilidad de crear un patrón orixate utilizando la mecánica genética y celular fundamental común a todas las plantas, porque la posibilidad opuesta de un cambio evolutivo individual, cuatro o más veces que conduzca al mismo patrón, muy inusual, parece demasiado increíble.
La ecuación DC2 utiliza una suposición fundamental de que las hojas emiten una señal constante para suprimir el crecimiento de otras hojas cerca de ellas, y a medida que aumenta la distancia, esta señal se debilita. Los investigadores sospechan que esta señal probablemente se deba a la hormona vegetal auxina, pero la fisiología específica aún se desconoce.
Patrones raros y reglas estándar
“Abandonamos esta suposición fundamental, sugiriendo que el poder de supresión no es realmente constante, sino que cambia con la edad. Probamos tanto el aumento como la disminución de la fuerza con el aumento de la edad, y notamos que el patrón inusual de orixato se calcula cuando las hojas viejas tienen un efecto abrumador más fuerte ”, informa Sugiyama.
Esta conjetura de que la fuerza de la señal inhibitoria cambia con la edad se puede utilizar para realizar más investigaciones directas sobre la genética o la fisiología del desarrollo de las plantas.
Los investigadores llaman a esta nueva versión de la ecuación EDC2 (Douady expandido y Couder 2).
El primer autor del artículo de investigación, el estudiante graduado Takaaki Yonekura, desarrolló simulaciones por computadora para generar miles de patrones de colocación de hojas calculados por la ecuación EDC2, así como para calcular la frecuencia de generación de patrones idénticos. Los patrones más comunes en la naturaleza fueron calculados con mayor frecuencia por EDC2, reforzando aún más la precisión de las ideas utilizadas para crear la fórmula.
“Existen otros patrones muy inusuales de disposición de las hojas que aún no se explican en nuestra nueva fórmula. Ahora estamos tratando de crear un nuevo concepto que pueda explicar
todos los patrones conocidos de disposición de las hojas, y no
casi todos ", dijo Sugiyama.
Cada uno de los videos a continuación muestra una vista superior de los patrones de disposición de las hojas cuando se forman nuevas hojas (semicírculos rojos) desde la parte superior del brote (círculo negro en el centro) y crecen hacia afuera. El campo de supresión se presenta en forma de un mapa de contorno en el que la fuerza de supresión más alta se indica en rojo, y la más baja se indica en azul.
Simulación de la filotaxis opuesta (doble cara, difusa) por la ecuación Expandido Douady y Couder 2. Video Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulación de filotaxis en espiral dorada mediante la ecuación expandida Douady y Couder 2. Video de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulación de filotaxis de decusado utilizando la ecuación expandida Douady y Couder 2. Video de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDAmpliación de la simulación de filotaxis tricussate Douady y Couder 2. Video de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDHágalo usted mismo: identifique el patrón
Para determinar el patrón de disposición de las hojas (filotaxis), los expertos recomiendan estudiar un grupo de hojas relativamente nuevas. (En griego antiguo,
phyllon (phyllon) significa "hoja".) Las hojas más viejas pueden cambiar su dirección (debido al viento o la exposición al sol), lo que puede complicar la determinación de su verdadero ángulo de unión al tallo.
Imagine el tallo como un círculo y comience a observar cuidadosamente dónde se unen las hojas más antiguas y las más antiguas. El ángulo entre estas dos hojas será el primer "ángulo de divergencia". Continúe registrando los ángulos de discrepancia entre las hojas cada vez más jóvenes en el tallo. El patrón de ángulo de divergencia es un patrón de disposición de la hoja.
Los patrones de disposición de hojas más comunes son opuestos (regulares con un ángulo de 180 grados, bambú), espiral de Fibonacci (regular con un ángulo de 137.5 grados, suculento
Graptopetalum paraguayense ), par cruzado (regular con un ángulo de 90 grados, albahaca) y tres lados (regular con ángulo de 60 grados,
Nerium oleander ).
La disposición de las hojas con una hoja por nodo se denomina filotaxis alternativa, y la disposición de dos o más hojas por nodo se denomina espiral. Los tipos comunes de filotaxis alternativa son distícos (bambú) y espirales (multifolia suculenta de aloe), mientras que las especies en espiral comunes son decusado (albahaca y menta) y tripartito (tricusato) ( Nerium oleander ). Imagen de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDArtículos
Takaaki Yonekura, Akitoshi Iwamoto, Hironori Fujita, Munetaka Sugiyama, "Estudios de modelos matemáticos de la generación integral de patrones filotacticos mayores y menores en plantas con un enfoque predominante en la filotaxis de orixato",
PLOS Biología Computacional : 6 de junio de 2019, doi: 10.1371 / journal.pcbi.1007044.
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