👪 🚣 🔊 Blattmathematik: Wie ein ungewöhnlicher Busch die Gleichung eines Pflanzenwachstumsmodells veränderte 🏧 🛁 🕺🏽

Wir lieben Blätter wegen ihres Schattens, ihrer Herbstfarben, ihres Geruchs und der Position der Blätter der Pflanze ist ein praktischer Weg, um ihre Art zu bestimmen. Die Einzelheiten darüber, wie Pflanzen die Position ihrer Blätter kontrollieren, blieben jedoch in der Botanik ein unerklärliches Rätsel. Eine japanische Pflanzenart mit einem ungewöhnlichen Muster der Blattanordnung hat es uns kürzlich ermöglicht, einen unerwarteten Blick darauf zu werfen, wie fast alle Pflanzen diese Anordnung kontrollieren.

„Wir haben ein neues Modell entwickelt, um ein bestimmtes Muster der Blattanordnung (Phyllotaxis) zu erklären. Tatsächlich spiegelt es jedoch nicht nur die Natur dieser speziellen Pflanze viel genauer wider, sondern auch die Vielfalt fast aller in der Natur beobachteten Muster der Blattanordnung “, sagt Munetaka Sugiyama, Associate Professor am Koisikawa Botanical Garden der Universität Tokio.

Es geht nur um die Ecken

Blätter auf einem Zweig von O. japonica (oben links) und eine schematische Darstellung von Phyllotaxis orixate (rechts). Das Orixatmuster zeigt einen ungewöhnlichen Zyklus sich ändernder Blattwinkel, der aus vier Werten besteht (von 180 Grad bis 90 Grad, dann bis 180 Grad und bis 270 Grad). Das Bild eines Rasterelektronenmikroskops (in der Mitte und unten links) zeigt die Winterknospe Orixa japonica, in der die Blätter zu wachsen beginnen. Die Knospen der Blätter werden vom ältesten Blatt (P8) bis zum jüngsten (P1) nacheinander markiert. Punkt O markiert die Spitze des Triebs.

Um die Platzierung der Blätter zu bestimmen, messen Botaniker die Winkel zwischen den Blättern und bewegen sich entlang des Stiels vom ältesten zum jüngsten Blatt.

Standardmuster sind symmetrisch, wobei die Blätter in regelmäßigen Abständen von 90 Grad (Basilikum oder Minze), 180 Grad (Stammkräuter wie Bambus) oder Fibonacci-Spiralen mit goldenen Ecken (z. B. Nadeln einiger kugelförmiger Kakteen oder scharlachroter mehrblättriger Sukkulenten) angeordnet sind.

Ein ungewöhnliches Muster, das vom Forschungsteam von Associate Professor Sugiyama untersucht wurde, heißt "Orixat" zu Ehren von Orixa japonica , einem Strauch, der in Japan, China und der koreanischen Halbinsel heimisch ist. Manchmal wird O. japonica als Hecke verwendet.

Die Winkel zwischen den Blättern von O. Japonica betragen 180 Grad, 90 Grad, 180 Grad, 270 Grad, und dann setzt das nächste Blatt das Muster wieder auf 180 Grad zurück.

„Unsere Studie bietet das Potenzial, die erstaunlichen Muster der Natur vollständig zu verstehen“, sagt Sugiyama.

Pflanzenmathematik

Das Forschungsteam von Sugiyama begann seine Studie mit einem umfassenden Test der mathematischen Gleichung, die zur Modellierung der Blattplatzierung verwendet wurde.

Mathematisch wurde die Anordnung der Blätter seit 1996 unter Verwendung einer als DC2 bekannten Gleichung (Douady und Couder 2) modelliert. Die Gleichung kann viele, aber nicht alle Muster der Blattverteilung erzeugen, die in der Natur aufgrund von Änderungen verschiedener Variablen der Pflanzenphysiologie beobachtet werden, wie z. B. der Beziehung zwischen verschiedenen Organen der Pflanze oder der Stärke chemischer Signale innerhalb der Pflanze.

DC2 hat zwei Nachteile, die die Forscher beseitigen wollten:

1) Unabhängig davon, welche Werte in die DC2-Gleichung eingesetzt werden, können einige seltene Mustermuster nicht berechnet werden.

2) Das Muster der Anordnung der Blätter in einer Fibonacci-Spirale (goldene Spirale) ist das häufigste in der Natur beobachtete Spiralmuster, es ist jedoch nur geringfügig häufiger als andere durch die DC2-Gleichung berechnete Spiralmuster.

Ungewöhnliches Muster

Orixat-Phyllotaxis-Simulation gemäß Expanded Douady und Couder 2. Video von Takaaki Yonekura, CC-BY-ND, ursprünglich veröffentlicht in PLOS Computational Biology DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1007044

Mindestens vier nicht verwandte Pflanzenarten weisen ein ungewöhnliches Muster der Orixatblattanordnung auf. Die Forscher vermuten, dass es die Möglichkeit geben sollte, ein Orixatmuster unter Verwendung der grundlegenden genetischen und zellulären Mechanik zu erzeugen, die allen Pflanzen gemeinsam ist, da die entgegengesetzte Möglichkeit einer individuellen evolutionären Veränderung, die vier- oder mehrmals zu demselben, sehr ungewöhnlichen Muster führt, zu unglaublich erscheint.

Die DC2-Gleichung verwendet eine grundlegende Annahme, dass Blätter ein konstantes Signal aussenden, um das Wachstum anderer Blätter in ihrer Nähe zu unterdrücken, und mit zunehmender Entfernung wird dieses Signal schwächer. Forscher vermuten, dass dieses Signal höchstwahrscheinlich auf das Pflanzenhormon Auxin zurückzuführen ist, aber die spezifische Physiologie ist noch unbekannt.

Seltene Muster und Standardregeln

„Wir haben diese Grundannahme aufgegeben und darauf hingewiesen, dass die Unterdrückungskraft nicht wirklich konstant ist, sondern sich mit dem Alter ändert. Wir haben sowohl die Zunahme als auch die Abnahme der Festigkeit mit zunehmendem Alter getestet und festgestellt, dass das ungewöhnliche Orixatmuster berechnet wird, wenn alte Blätter eine stärkere überwältigende Wirkung haben “, sagt Sugiyama.

Diese Vermutung, dass sich die Stärke des inhibitorischen Signals mit dem Alter ändert, kann für direkte weitere Forschungen zur Genetik oder Physiologie der Pflanzenentwicklung verwendet werden.

Forscher nennen diese neue Version der Gleichung EDC2 (Expanded Douady and Couder 2).

Der Erstautor des Forschungsartikels, Doktorand Takaaki Yonekura, entwickelte Computersimulationen, um Tausende von Blattplatzierungsmustern zu generieren, die mit der EDC2-Gleichung berechnet wurden, sowie um die Häufigkeit der Erzeugung identischer Muster zu berechnen. Die in der Natur häufigeren Muster wurden von EDC2 häufiger berechnet, was die Genauigkeit der zur Erstellung der Formel verwendeten Ideen weiter stärkte.

„Es gibt andere sehr ungewöhnliche Muster der Blattanordnung, die durch unsere neue Formel immer noch nicht erklärt werden. Jetzt versuchen wir, ein neues Konzept zu entwickeln, das alle bekannten Muster der Blattanordnung und nicht fast alle erklären kann “, sagte Sugiyama.

Jedes der folgenden Videos zeigt eine Draufsicht auf die Muster der Blattanordnung, wenn sich neue Blätter (rote Halbkreise) von der Oberseite des Triebs (schwarzer Kreis in der Mitte) bilden und nach außen wachsen. Das Unterdrückungsfeld wird in Form einer Konturkarte dargestellt, auf der die höchste Unterdrückungskraft in Rot und die niedrigste in Blau angegeben ist.

Simulation der entgegengesetzten (doppelseitigen, distichösen) Phyllotaxis durch die Gleichung Expanded Douady and Couder 2. Video Takaaki Yonekura, CC-BY-ND

Golden Spiral Phyllotaxis Simulation unter Verwendung der Expanded Douady und Couder 2 Gleichung. Takaaki Yonekura Video, CC-BY-ND

Simulation der dekussierten Phyllotaxis unter Verwendung der Expanded Douady and Couder 2-Gleichung. Takaaki Yonekura-Video, CC-BY-ND

Erweiterte Douady- und Couder 2-Tricussate-Phyllotaxis-Simulation. Video von Takaaki Yonekura, CC-BY-ND

Mach es selbst: identifiziere das Muster

Um das Muster der Blattanordnung (Phyllotaxis) zu bestimmen, empfehlen Experten, eine Gruppe relativ neuer Blätter zu untersuchen. (Im Altgriechischen bedeutet Phyllon (Phyllon) „Blatt“.) Ältere Blätter können ihre Richtung ändern (aufgrund von Wind oder Sonneneinstrahlung), was die Bestimmung ihres tatsächlichen Befestigungswinkels am Stiel erschweren kann.

Stellen Sie sich den Stiel als Kreis vor und beobachten Sie sorgfältig, wo die ältesten und nächstältesten Blätter am Kreis befestigt sind. Der Winkel zwischen diesen beiden Blättern ist der erste "Divergenzwinkel". Zeichnen Sie weiterhin die Diskrepanzwinkel zwischen immer jüngeren Blättern am Stiel auf. Das Divergenzwinkelmuster ist ein Muster der Blattanordnung.

Die häufigsten Blattanordnungsmuster sind entgegengesetzt (regelmäßig mit einem Winkel von 180 Grad, Bambus), Fibonacci-Spirale (regelmäßig mit einem Winkel von 137,5 Grad, saftiges Graptopetalum paraguayense ), Kreuzpaar (regelmäßig mit einem Winkel von 90 Grad, Basilikum) und dreiseitig (regelmäßig mit Winkel von 60 Grad, Neriumoleander ).

Die Anordnung von Blättern mit einem Blatt pro Knoten wird als alternative Phyllotaxis bezeichnet, und die Anordnung von zwei oder mehr Blättern pro Knoten wird als Wirbel bezeichnet. Häufige Arten der alternativen Phyllotaxis sind Distichous (Bambus) und Spirale (Aloe Succulent Multifolia), während häufig vorkommende Quirlarten Decussate (Basilikum und Minze) und Tripartite (Tricussate) ( Nerium Oleander ) sind. Bild von Takaaki Yonekura, CC-BY-ND

Artikel

Takaaki Yonekura, Akitoshi Iwamoto, Hironori Fujita, Munetaka Sugiyama, „Mathematische Modellstudien zur umfassenden Erzeugung von Haupt- und Nebenphyllotaktiemustern in Pflanzen mit Schwerpunkt auf Orixat-Phyllotaxis“, PLOS Computational Biology : 6. Juni 2019, doi: 10.1371 / journal.pcbi.1007044.
Link ( Veröffentlichung )

Blattmathematik: Wie ein ungewöhnlicher Busch die Gleichung eines Pflanzenwachstumsmodells veränderte