Adoramos as folhas por sua sombra, cores do outono, cheiro e a localização das folhas da planta é uma maneira prática de determinar suas espécies. No entanto, os detalhes de como as plantas controlam a localização de suas folhas permanecem um mistério inexplicável na botânica. Uma espécie de planta japonesa com um padrão incomum de arranjo foliar nos permitiu recentemente dar uma olhada inesperada em como quase todas as plantas controlam esse arranjo.
“Desenvolvemos um novo modelo para explicar um padrão específico de arranjo foliar (filotaxia). Mas, na verdade, reflete com muito mais precisão não apenas a natureza dessa planta em particular, mas também a grande variedade de quase todos os padrões de folhas observados na natureza ”, diz Munetaka Sugiyama, professor associado do Jardim Botânico Koisikawa da Universidade de Tóquio.
É tudo sobre os cantos
Folhas em um galho de O. japonica
(canto superior esquerdo) e uma representação esquemática do orixato de filotaxia (direita). O padrão orixato mostra um ciclo incomum de alteração dos ângulos das folhas, consistindo em quatro valores (de 180 graus a 90 graus, depois a 180 graus e 270 graus). A imagem de um microscópio eletrônico de varredura (no centro e no canto inferior esquerdo) mostra o botão de inverno Orixa japonica, no qual as folhas começam a crescer.
Os rudimentos das folhas são sequencialmente rotulados da folha mais antiga (P8) para a mais nova (P1). O ponto O marca a ponta da foto.Para determinar a localização das folhas, os botânicos medem os ângulos entre as folhas, movendo-se ao longo do caule da folha mais antiga para a mais jovem.
Os padrões padrão são simétricos, nos quais as folhas são dispostas em intervalos regulares de 90 graus (manjericão ou hortelã), 180 graus (ervas-tronco, como bambu) ou espirais de Fibonacci com
cantos dourados (por exemplo, agulhas de alguns cactos esféricos ou suculentas de folhas escarlate).
Um padrão incomum estudado pela equipe de pesquisa do professor associado Sugiyama é chamado de "orixate" em homenagem a
Orixa japonica , um arbusto nativo do Japão, China e Península Coreana. Às vezes,
O. japonica é usado como uma cobertura.
Os ângulos entre as folhas de
O. Japonica são 180 graus, 90 graus, 180 graus, 270 graus e, em seguida, a próxima folha "redefine" o padrão de volta a 180 graus.
"Nosso estudo fornece o potencial de entender completamente os padrões surpreendentes da natureza", diz Sugiyama.
Matemática das plantas
A equipe de pesquisa de Sugiyama iniciou seu estudo com um teste exaustivo da equação matemática usada para modelar a colocação das folhas.
Matematicamente, o arranjo das folhas é modelado desde 1996 usando uma equação conhecida como DC2 (Douady e Couder 2). A equação pode gerar muitos, mas não todos, padrões de distribuição foliar observados na natureza devido a uma alteração em várias variáveis da fisiologia da planta, como a relação entre diferentes órgãos da planta ou a força dos sinais químicos dentro da planta.
O DC2 tem duas desvantagens que os pesquisadores queriam eliminar:
1) Quaisquer que sejam os valores substituídos na equação DC2, alguns padrões raros de padrões não podem ser calculados.
2) O padrão de arranjo foliar na espiral de Fibonacci (espiral dourada) é o padrão espiral mais comum observado na natureza, mas é apenas um pouco mais comum do que outros padrões espirais calculados pela equação DC2.
Padrão incomum
Simulação de filotaxia orixada de acordo com Expanded Douady e Couder 2. Vídeo de Takaaki Yonekura, CC-BY-ND, publicado originalmente em PLOS Computational Biology DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1007044Pelo menos quatro espécies de plantas não relacionadas têm um padrão de arranjo foliar orixado incomum. Os pesquisadores suspeitam que deve haver a possibilidade de criar um padrão orixado usando a mecânica genética e celular fundamental comum a todas as plantas, porque a possibilidade oposta de uma mudança evolutiva individual, quatro ou mais vezes levando ao mesmo padrão incomum, parece inacreditável demais.
A equação DC2 usa uma suposição fundamental de que as folhas emitem um sinal constante para suprimir o crescimento de outras folhas próximas a elas e, à medida que a distância aumenta, esse sinal se torna mais fraco. Os pesquisadores suspeitam que esse sinal seja provavelmente devido ao hormônio vegetal auxina, mas a fisiologia específica ainda é desconhecida.
Padrões raros e regras padrão
“Abandonamos essa suposição fundamental, sugerindo que o poder da supressão não é realmente constante, mas muda com a idade. Testamos o aumento e a diminuição da força com o aumento da idade e notamos que o padrão incomum de orixato é calculado quando folhas velhas têm um efeito esmagador mais forte ”, relata Sugiyama.
Essa conjectura de que a força do sinal inibitório muda com a idade pode ser usada para pesquisas adicionais diretas sobre a genética ou fisiologia do desenvolvimento das plantas.
Os pesquisadores chamam essa nova versão da equação EDC2 (Expanded Douady e Couder 2).
O primeiro autor do artigo de pesquisa, o aluno Takaaki Yonekura, desenvolveu simulações por computador para gerar milhares de padrões de colocação de folhas calculados pela equação EDC2, bem como para calcular a frequência de geração de padrões idênticos. Os padrões mais comuns na natureza foram calculados com mais frequência pelo EDC2, reforçando ainda mais a precisão das idéias usadas para criar a fórmula.
“Existem outros padrões incomuns de arranjo foliar que ainda não são explicados por nossa nova fórmula. Agora, estamos tentando criar um novo conceito que será capaz de explicar
todos os padrões conhecidos de arranjo de folhas, e não
quase todos ”, disse Sugiyama.
Cada um dos vídeos abaixo mostra uma vista superior dos padrões de organização das folhas quando novas folhas (semicírculos vermelhos) se formam a partir do topo da parte aérea (círculo preto no centro) e crescem para fora. O campo de supressão é apresentado na forma de um mapa de contorno no qual a maior força de supressão é indicada em vermelho e a menor é indicada em azul.
Simulação da filotaxia oposta (dupla face e óptica) pela equação Expandida Douady e Couder 2. Vídeo Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulação de filotaxia em espiral dourada pela equação Expandida de Douady e Couder 2. Vídeo de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulação de filotaxia decussada usando a equação Expandida de Douady e Couder 2. Vídeo de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDSimulação expandida de filotaxia tricussada de Douady e Couder 2. Vídeo por Takaaki Yonekura, CC-BY-NDFaça você mesmo: identifique o padrão
Para determinar o padrão de disposição das folhas (filotaxia), os especialistas recomendam o estudo de um grupo de folhas relativamente novas. (No grego antigo,
phyllon (phyllon) significa "folha".) As folhas mais antigas podem mudar de direção (devido ao vento ou à exposição ao sol), o que pode complicar a determinação de seu verdadeiro ângulo de fixação ao caule.
Imagine o caule como um círculo e comece a observar cuidadosamente onde as folhas mais antigas e as próximas mais antigas estão presas ao círculo. O ângulo entre essas duas folhas será o primeiro "ângulo de divergência". Continue registrando os ângulos de discrepância entre as folhas cada vez mais jovens do caule. O padrão do ângulo de divergência é um padrão de disposição das folhas.
Os padrões mais comuns de arranjo foliar são opostos (regulares com um ângulo de 180 graus, bambu), espiral de Fibonacci (regular com um ângulo de 137,5 graus, suculenta
Graptopetalum paraguayense ), par cruzado (regular com um ângulo de 90 graus, manjericão) e de três lados (regular com ângulo de 60 graus,
oleandro de Nerium ).
O arranjo de folhas com uma folha por nó é chamado filotaxia alternativa, e o arranjo de duas ou mais folhas por nó é chamado espiralado. Os tipos comuns de filotaxia alternativa são distichous (bambu) e espiral (aloe succulent multifolia), enquanto as espécies whorled comuns são decussate (manjericão e hortelã) e tripartite (tricussate) ( Nerium oleander ). Imagem de Takaaki Yonekura, CC-BY-NDArtigos
Takaaki Yonekura, Akitoshi Iwamoto, Hironori Fujita, Munetaka Sugiyama, “Estudos de modelos matemáticos da geração abrangente de padrões filotáticos maiores e menores em plantas com foco predominante na filotaxia orixada”,
PLOS Computational Biology : 6 de junho de 2019, doi: 10.1371 / journal.pcbi.1007044.
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