Voor het ongetrainde oog kunnen planten nogal impulsief lijken te groeien en willekeurig bladeren laten uitkomen om één grote groene wirwar te creëren. Als je echter beter kijkt, zul je zien dat een paar merkwaardig regelmatige patronen overal in de natuurlijke wereld opduiken, van de evenwichtige symmetrie van bamboescheuten tot de betoverende spiralen van vetplanten.
In feite zijn deze patronen consistent genoeg dat koude, harde wiskunde organische groei redelijk goed kan voorspellen. Een veronderstelling die centraal stond in de studie van phyllotaxis, of bladpatronen, is dat bladeren hun persoonlijke ruimte beschermen. Op basis van het idee dat reeds bestaande bladeren een remmende invloed hebben op nieuwe exemplaren en een signaal afgeven om te voorkomen dat anderen in de buurt groeien, hebben wetenschappers modellen ontwikkeld die veel van de veel voorkomende natuurontwerpen met succes kunnen reproduceren. De altijd fascinerende Fibonacci-reeks verschijnt bijvoorbeeld in alles, van zonnebloemzaadarrangementen tot nautilusschelpen tot dennenappels. De huidige consensus is dat de bewegingen van het groeihormoon auxine en de eiwitten die het door een plant transporteren, verantwoordelijk zijn voor dergelijke patronen.
Bladarrangement met één blad per knoop wordt alternatieve phyllotaxis genoemd, terwijl rangschikking met twee of meer bladeren per knoop whorled phyllotaxis wordt genoemd. Veel voorkomende alternatieve soorten zijn distichous phyllotaxis (bamboe) en Fibonacci spiraalvormige phyllotaxis (de succulente spiraalvormige aloë), en veel voorkomende whorled soorten zijn decussate phyllotaxis (basilicum of munt) en tricussate phyllotaxis ( Nerium oleander, soms bekend als dogbane). (Takaaki Yonekura onder CC-BY-ND) Bepaalde bladarrangementen blijven echter populaire modellen voor plantengroei stompen, waaronder de Douady- en Couder-vergelijkingen (bekend als DC1 en DC2) die sinds de jaren negentig hebben gedomineerd. Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Tokio bestudeerde een struik bekend als Orixa japonica en ontdekte dat eerdere vergelijkingen de ongebruikelijke structuur van de plant niet konden reproduceren, dus besloten ze het model zelf te heroverwegen. Hun bijgewerkte model, beschreven in een nieuwe studie in PLOS Computational Biology, reproduceert niet alleen het eens ongrijpbare patroon, maar het kan ook andere, meer gebruikelijke arrangementen beter beschrijven dan eerdere vergelijkingen, zeggen auteurs.
"In de meeste planten hebben phyllotactische patronen symmetrie - spiraalvormige symmetrie of radiale symmetrie", zegt plantenfysioloog Munetaka Sugiyama van de Universiteit van Tokio, senior auteur van de nieuwe studie. “Maar in deze speciale plant, Orixa japonica, is het phyllotactische patroon niet symmetrisch, wat erg interessant is. Meer dan 10 jaar geleden kwam ik op het idee dat sommige veranderingen in de remmende kracht van elk bladprimordium dit eigenaardige patroon kunnen verklaren. ”
Botanici gebruiken de divergentiehoeken, of hoeken tussen opeenvolgende bladeren, om de phyllotaxis van een plant te definiëren. Terwijl de meeste bladindelingspatronen een constante divergentiehoek behouden, groeit de O. japonica- struik, die inheems is in Japan en andere delen van Oost-Azië, bladeren in een afwisselende reeks van vier herhalende hoeken: 180 graden, 90 graden, opnieuw 180 graden, vervolgens 270 graden.
Een Orixa japonica- struik met de verschillende divergentiehoeken van de bladeren zichtbaar. (Qwert1234 via Wikicommons onder CC BY-SA 4.0) Dit patroon, dat de onderzoekers "orixaat" phyllotaxis noemden, is niet alleen een eenmalige afwijking, omdat planten van andere taxa (zoals de "roodgloeiende poker" -bloem Kniphofia uvaria, of de crêpe mirte Lagerstroemia indica ) hun bladeren afwisselen in dezelfde gecompliceerde volgorde. Omdat de bladindeling op verschillende plekken in de evolutionaire boom opduikt, concludeerden auteurs dat de overeenkomst kwam van een gemeenschappelijk mechanisme dat verdere studie rechtvaardigde.
Na het testen van de Douady- en Couder-vergelijkingen met verschillende parameters, konden de auteurs patronen produceren die dicht bij de afwisselende orixaatschikking lagen, maar geen van de gesimuleerde planten kwam perfect overeen met de O. japonica- monsters die ze ontleedden en bestudeerden. Dus bouwde het team een nieuw model door een andere variabele toe te voegen aan de vergelijkingen Douady en Couder: bladleeftijd. Vroegere modellen gingen ervan uit dat de remmende kracht van bladeren in de loop van de tijd hetzelfde bleef, maar deze constante was "niet natuurlijk vanuit het gezichtspunt van de biologie", zegt Sugiyama. In plaats daarvan liet het team van Sugiyama de mogelijkheid toe dat de sterkte van deze 'keep-away'-signalen in de loop van de tijd veranderde.
De resulterende modellen - die het team de uitgebreide modellen Douady en Couder, EDC1 en EDC2 noemt - zijn erin geslaagd om via gecomputeriseerde groei de ingewikkelde bladopstellingen van O. japonica te herscheppen. Afgezien van deze prestatie, produceerden de uitgebreide vergelijkingen ook alle andere veel voorkomende gebladertepatronen en voorspelden de natuurlijke frequenties van deze variëteiten nauwkeuriger dan eerdere modellen. Vooral in het geval van planten met een spiraalpatroon voorspelde het nieuwe EDC2-model de 'overheersing' van de Fibonacci-spiraal in vergelijking met andere arrangementen, terwijl eerdere modellen niet konden verklaren waarom deze specifieke vorm overal in de natuur lijkt te verschijnen.
“Ons model, EDC2, kan orixaatpatronen genereren naast alle belangrijke soorten phyllotaxis. Dit is duidelijk een voordeel ten opzichte van het vorige model, "zegt Sugiyama. "EDC2 past ook beter bij het natuurlijke voorkomen van verschillende patronen."
Bladeren op een Orixa japonica- tak (linksboven) en een schematisch diagram van orixate phyllotaxis (rechts). Het orixaatpatroon vertoont een eigenaardige vier-cyclus verandering van de hoek tussen bladeren. Een scanelektronenmicroscoopafbeelding (midden en linksonder) toont de winterknop van O. japonica, waar de bladeren voor het eerst beginnen te groeien. Primordiale bladeren worden opeenvolgend gelabeld met het oudste blad als P8 en het jongste blad als P1. Het label O markeert de top van de shoot. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama onder CC-BY) De auteurs kunnen nog niet concluderen wat precies de oorzaak is van de leeftijd van de bladeren om deze groeipatronen te beïnvloeden, hoewel Sugiyama speculeert dat het mogelijk te maken heeft met veranderingen in het auxinetransportsysteem tijdens de ontwikkeling van een plant.
Dergelijke mysteries kunnen worden opgelost door de "push and pull" tussen computermodellen en laboratoriumexperimenten, zegt Ciera Martinez, een computationele bioloog die niet bij de studie was betrokken. Het auteursmodel biedt een opwindende stap in de richting van een beter begrip van phyllotaxis en laat andere botanici ruimte om de gaten te vullen met plantendissectie en -analyse.
"Met modellen, hoewel we misschien nog niet het exacte mechanisme kennen, krijgen we in ieder geval krachtige aanwijzingen over wat we moeten zoeken", zegt Martinez in een e-mail. "Nu moeten we alleen maar beter kijken naar de moleculaire mechanismen in echte planten om te proberen te ontdekken wat het model voorspelt."
Een top-down beeld van bladrangschikkingspatronen in "orixate" phyllotaxis als nieuwe bladeren (rode halve cirkels) worden gevormd vanuit de top van de scheut (centrale zwarte cirkel) en groeien naar buiten. (Takaaki Yonekura onder CC-BY-ND) Het team van Sugiyama werkt eraan om hun model nog verder te verfijnen en ervoor te zorgen dat alle bekende phyllotactische patronen worden gegenereerd. Eén 'mysterieus' bladpatroon, een spiraal met een kleine divergentiehoek, ontduikt nog steeds aan computationele voorspelling, hoewel Sugiyama denkt dat ze bijna de bladcode kraken.
"We denken niet dat onze studie praktisch nuttig is voor de samenleving", zegt Sugiyama. "Maar we hopen dat het bijdraagt aan ons begrip van de symmetrische schoonheid in de natuur."
