Nous aimons les feuilles pour leur ombre, leurs couleurs d'automne, leur odeur et l'emplacement des feuilles de la plante est un moyen pratique de déterminer leur espèce. Cependant, les détails de la façon dont les plantes contrôlent l'emplacement de leurs feuilles restaient un mystère inexplicable en botanique. Une espèce de plante japonaise avec un motif inhabituel de disposition des feuilles nous a récemment permis de jeter un regard inattendu sur la façon dont presque toutes les plantes contrôlent cet arrangement.
«Nous avons développé un nouveau modèle pour expliquer un modèle particulier de disposition des feuilles (phyllotaxie). Mais en fait, cela reflète beaucoup plus précisément non seulement la nature de cette plante particulière, mais aussi la grande variété de presque tous les modèles de disposition des feuilles observés dans la nature », explique Munetaka Sugiyama, professeur agrégé au Jardin botanique Koisikawa de l'Université de Tokyo.
Tout tourne autour des coins
Feuilles sur une branche d' O. Japonica
(en haut à gauche) et une représentation schématique de l'orixate de phyllotaxie (à droite). Le motif orixé montre un cycle inhabituel de changement d'angle des feuilles, composé de quatre valeurs (de 180 degrés à 90 degrés, puis à 180 degrés et à 270 degrés). L'image d'un microscope électronique à balayage (au centre et en bas à gauche) montre le bourgeon d'hiver Orixa japonica, dans lequel les feuilles commencent à pousser.
Les rudiments de feuilles sont étiquetés séquentiellement de la feuille la plus ancienne (P8) à la plus jeune (P1). Le point O marque la pointe de la pousse.Pour déterminer le placement des feuilles, les botanistes mesurent les angles entre les feuilles, se déplaçant le long de la tige de la feuille la plus ancienne à la plus jeune.
Les motifs standard sont symétriques, dans lesquels les feuilles sont disposées à intervalles réguliers de 90 degrés (basilic ou menthe), 180 degrés (herbes de tige, comme le bambou), ou spirales de Fibonacci avec
des coins dorés (par exemple, les aiguilles de certains cactus sphériques ou les succulentes à plusieurs feuilles écarlates).
Un modèle inhabituel étudié par l'équipe de recherche du professeur agrégé Sugiyama est nommé "orixate" en l'honneur d'
Orixa japonica , un arbuste originaire du Japon, de la Chine et de la péninsule coréenne. Parfois,
O. japonica est utilisé comme haie.
Les angles entre les feuilles d'
O. Japonica sont de 180 degrés, 90 degrés, 180 degrés, 270 degrés, puis la feuille suivante «réinitialise» le motif à 180 degrés.
«Notre étude offre le potentiel de comprendre pleinement les modèles étonnants de la nature», explique Sugiyama.
Mathématiques végétales
L'équipe de recherche de Sugiyama a commencé son étude par un test exhaustif de l'équation mathématique utilisée pour modéliser le placement des feuilles.
Mathématiquement, la disposition des feuilles est modélisée depuis 1996 à l'aide d'une équation appelée DC2 (Douady et Couder 2). L'équation peut générer de nombreux modèles de distribution des feuilles observés dans la nature, mais pas tous, en raison d'un changement dans diverses variables de la physiologie de la plante, telles que la relation entre les différents organes de la plante ou la force des signaux chimiques au sein de la plante.
DC2 présente deux inconvénients que les chercheurs ont voulu éliminer:
1) Quelles que soient les valeurs substituées dans l'équation DC2, certains modèles de motifs rares ne peuvent pas être calculés.
2) Le motif de la disposition des feuilles dans une spirale de Fibonacci (spirale dorée) est le motif en spirale le plus commun observé dans la nature, mais il n'est que légèrement plus commun que les autres motifs en spirale calculés par l'équation DC2.
Motif inhabituel
Simulation de la phyllotaxie de l'Orixate selon Expanded Douady and Couder 2. Vidéo de Takaaki Yonekura, CC-BY-ND, initialement publiée dans PLOS Computational Biology DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1007044Au moins quatre espèces végétales non apparentées ont un motif inhabituel de disposition des feuilles d'orixate. Les chercheurs soupçonnent qu'il devrait y avoir la possibilité de créer un motif orixate en utilisant la mécanique génétique et cellulaire fondamentale commune à toutes les plantes, car la possibilité opposée d'un changement évolutif individuel, quatre fois ou plus conduisant au même motif très inhabituel, semble trop incroyable.
L'équation DC2 utilise une hypothèse fondamentale selon laquelle les feuilles émettent un signal constant pour supprimer la croissance des autres feuilles à proximité, et avec l'augmentation de la distance, ce signal devient plus faible. Les chercheurs soupçonnent que ce signal est très probablement dû à l'hormone végétale auxine, mais la physiologie spécifique est encore inconnue.
Modèles rares et règles standard
«Nous avons abandonné cette hypothèse fondamentale, suggérant que le pouvoir de suppression n'est pas vraiment constant, mais change avec l'âge. Nous avons testé à la fois l'augmentation et la diminution de la force avec l'âge et nous avons remarqué que le motif inhabituel d'orixate est calculé lorsque les vieilles feuilles ont un effet écrasant plus fort », explique Sugiyama.
Cette conjecture selon laquelle la force du signal inhibiteur change avec l'âge peut être utilisée pour poursuivre des recherches supplémentaires sur la génétique ou la physiologie du développement des plantes.
Les chercheurs appellent cette nouvelle version de l'équation EDC2 (Expanded Douady and Couder 2).
Le premier auteur de l'article de recherche, l'étudiant diplômé Takaaki Yonekura, a développé des simulations informatiques pour générer des milliers de modèles de placement de feuilles calculés par l'équation EDC2, ainsi que pour calculer la fréquence de génération de modèles identiques. Les schémas les plus courants dans la nature ont été calculés plus souvent par EDC2, renforçant encore la précision des idées utilisées pour créer la formule.
«Il existe d'autres modèles très inhabituels de disposition des feuilles qui ne sont toujours pas expliqués par notre nouvelle formule. Maintenant, nous essayons de créer un nouveau concept qui sera en mesure d'expliquer
tous les modèles connus de disposition des feuilles, et pas
presque tous », a déclaré Sugiyama.
Chacune des vidéos ci-dessous montre une vue de dessus des modèles de disposition des feuilles lorsque de nouvelles feuilles (demi-cercles rouges) se forment du haut de la pousse (cercle noir au centre) et poussent vers l'extérieur. Le champ de suppression est présenté sous la forme d'une carte de contour sur laquelle la force de suppression la plus élevée est indiquée en rouge et la plus faible est indiquée en bleu.
Simulation de la phyllotaxie opposée (double face, distichous) par l'équation Expanded Douady and Couder 2. Vidéo par Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulation de la phyllotaxie en spirale dorée à l'aide de l'équation de Douady et Couder élargie 2. Vidéo Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulation de la phyllotaxie décussée à l'aide de l'équation Expanded Douady and Couder 2. Vidéo Takaaki Yonekura, CC-BY-NDExpansion de la simulation de phyllotaxie tricussée de Douady et Couder 2. Vidéo par Takaaki Yonekura, CC-BY-NDFaites-le vous-même: identifiez le motif
Pour déterminer le modèle de disposition des feuilles (phyllotaxie), les experts recommandent d'étudier un groupe de feuilles relativement nouvelles. (En grec ancien,
phyllon (phyllon) signifie «feuille».) Les feuilles plus anciennes peuvent changer de direction (en raison du vent ou de l'exposition au soleil), ce qui peut compliquer la détermination de leur véritable angle d'attachement à la tige.
Imaginez la tige comme un cercle et commencez à observer attentivement où les feuilles les plus anciennes et les plus anciennes sont attachées au cercle. L'angle entre ces deux feuilles sera le premier "angle de divergence". Continuez à enregistrer les angles de divergence entre les feuilles de plus en plus jeunes de la tige. Le motif d'angle de divergence est un motif de disposition des feuilles.
Les motifs de disposition des feuilles les plus courants sont opposés (réguliers avec un angle de 180 degrés, bambou), spirale de Fibonacci (régulière avec un angle de 137,5 degrés, succulente
Graptopetalum paraguayense ), paire croisée (régulière avec un angle de 90 degrés, basilic) et à trois côtés (régulière avec angle de 60 degrés,
Nerium oleander ).
La disposition des feuilles avec une feuille par nœud est appelée phyllotaxie alternative, et la disposition de deux feuilles ou plus par nœud est appelée verticillée. Les types courants de phyllotaxie alternée sont les distichous (bambou) et les spirales (succulentes de l'aloès à nombreuses feuilles), et les espèces verticillées communes sont les paires croisées (décussées) (basilic et menthe) et tripartites (tricussées) ( Nerium oleander ). Image de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDLes articles
Takaaki Yonekura, Akitoshi Iwamoto, Hironori Fujita, Munetaka Sugiyama. journal.pcbi.1007044.
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