Pro netrénované oko se může zdát, že rostliny rostou poněkud impulzivně a náhodně vytrhávají listy, aby vytvořily jednu velkou zelenou míchanici. Podívejme se však blíže a zjistíte, že po celém přirozeném světě se objevuje několik podivně pravidelných vzorů, od vyvážené symetrie bambusových výhonků až po fascinující spirály sukulentů.
Ve skutečnosti jsou tyto vzorce dostatečně konzistentní, aby chladný, tvrdý matematický postup dokázal docela dobře předpovědět organický růst. Jedním předpokladem, který byl ústředním bodem studia fylotaxie nebo listových vzorů, je to, že listy chrání jejich osobní prostor. Na základě myšlenky, že již existující listy mají inhibiční vliv na nové listy, vydávají signál, aby zabránili ostatním v pěstování v okolí, vědci vytvořili modely, které mohou úspěšně obnovit mnoho společných přírodních návrhů. Například fascinující sekvence Fibonacciho se projevuje ve všem od uspořádání slunečnicových semen po skořápky nautilus po šišky. Současná shoda spočívá v tom, že za tyto vzorce jsou zodpovědné pohyby růstového hormonu auxinu a bílkovin, které jej transportují rostlinou.
Uspořádání listů s jedním listem na uzlu se nazývá alternativní fylotaxis, zatímco uspořádání se dvěma nebo více listy na uzlu se nazývá whorled fylotaxis. Obyčejné alternativní typy jsou distichous fylotaxis (bambus) a Fibonacci spirála fylotaxis (sukulentní spirála aloe), a obyčejné whorled typy jsou decussate fylotaxis (bazalka nebo máta) a tricussate fylotaxis ( Nerium oleander, někdy známý jako dogbane). (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Některá uspořádání listů však stále pahýlí populární modely růstu rostlin, včetně Douady a Couderových rovnic (známých jako DC1 a DC2), které dominovaly od 90. let. Tým vedený vědci z Tokijské univerzity studující keř známý jako Orixa japonica zjistil, že dřívější rovnice nemohou obnovit neobvyklou strukturu rostliny, a tak se rozhodli model přehodnotit samo. Jejich aktualizovaný model, popsaný v nové studii v PLOS Computational Biology, nejen reprodukuje dříve nepolapitelný vzorec, ale může také popisovat jiná, běžnější uspořádání lépe než předchozí rovnice.
"Ve většině rostlin mají fylotaktické vzorce symetrii - spirální symetrie nebo radiální symetrie, " říká fyziologický pracovník rostlin z Tokio Munetaka Sugiyama, hlavní autor nové studie. "Ale v této speciální rostlině, Orixa japonica, není fylotaktický vzorec symetrický, což je velmi zajímavé." Před více než 10 lety mi přišel nápad, že některé změny inhibiční síly každého listového primordia mohou vysvětlit tento zvláštní vzor. “
Botanici používají úhly divergence nebo úhly mezi po sobě jdoucími listy k definování fylotaxie rostliny. Zatímco většina vzorů uspořádání listů udržuje konstantní divergenční úhel, keř O. japonica, který je původem z Japonska a dalších částí východní Asie, pěstuje listy v střídavé řadě čtyř opakujících se úhlů: 180 stupňů, 90 stupňů a 180 stupňů znovu, pak 270 stupňů.
Keř Orixa japonica s různými úhly divergence listů viditelnými. (Qwert1234 prostřednictvím Wikicommons pod CC BY-SA 4.0) Tento vzorec, který vědci nazvali „orixátovou“ fylotaxí, není jen jednorázovou anomálií, protože rostliny z jiných taxonů (jako je květina „red-hot poker“ Kniphofia uvaria nebo krepový myrta Lagerstroemia indica ) střídají své listy ve stejné komplikovaná sekvence. Protože se uspořádání listů objevuje na různých místech na evolučním stromu, autoři dospěli k závěru, že podobnost pochází ze společného mechanismu, který vyžaduje další studium.
Po testování Douadyho a Couderových rovnic s různými parametry mohli autoři vytvořit vzory, které byly blízké střídavému uspořádání orixátu, ale žádná ze simulovaných rostlin dokonale neodpovídala vzorkům O. japonica, které pitvaly a studovaly. Tým vytvořil nový model přidáním další proměnné do Douadyho a Couderových rovnic: věk listů. Bývalé modely předpokládaly, že inhibiční síla listů zůstala v průběhu času stejná, ale tato konstanta „nebyla z hlediska biologie přirozená, “ říká Sugiyama. Místo toho Sugiyamův tým připustil možnost, že se síla těchto „udržovacích“ signálů časem mění.
Výsledné modely - na které se tým odkazuje jako na rozšířené modely Douady a Couder, EDC1 a EDC2 - dokázaly pomocí počítačového růstu znovu vytvořit složité uspořádání listů O. japonica . Kromě této funkce rozšířené rovnice také vytvořily všechny ostatní běžné vzory listoví a predikovaly přirozené frekvence těchto odrůd přesněji než předchozí modely. Zejména v případě rostlin se vzorem spirály předpovídal nový model EDC2 „super-dominanci“ spirály Fibonacci ve srovnání s jinými uspořádáními, zatímco předchozí modely nevysvětlily, proč se tento konkrétní tvar jeví všude v přírodě.
„Náš model, EDC2, může kromě všech hlavních typů fylotaxie generovat orixační vzory. To je jednoznačně výhoda oproti předchozímu modelu, “říká Sugiyama. „EDC2 se také lépe hodí k přirozenému výskytu různých vzorců.“
Listy na větvi Orixa japonica (vlevo nahoře) a schématický diagram orixate phyllotaxis (vpravo). Vzor orixátu zobrazuje zvláštní změnu úhlu mezi listy mezi čtyřmi cykly. Snímek rastrovacího elektronového mikroskopu (uprostřed a vlevo dole) ukazuje zimní pupen O. japonica, kde listy začínají nejprve růst. Pravěké listy jsou označeny postupně nejstarším listem jako P8 a nejmladším listem jako P1. Štítek O označuje vrchol natáčení. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama pod CC-BY) Autoři zatím nemohou dojít k závěru, co přesně způsobuje, že věk listů ovlivňuje tyto růstové vzorce, i když Sugiyama spekuluje, že to může mít co do činění se změnami auxinového transportního systému v průběhu vývoje rostliny.
Taková záhada by mohla být vyřešena „tlačením a tahem“ mezi výpočetními modely a laboratorními experimenty, říká Ciera Martinez, výpočetní biolog, který se studie nezúčastnil. Autorův model poskytuje vzrušující krok k lepšímu porozumění fylotaxi a ponechává prostor dalším botanikům, aby vyplnili mezery pitvou a analýzou rostlin.
"U modelů, i když možná ještě neznáme přesný mechanismus, dostáváme alespoň silné vodítko k tomu, co hledat, " říká Martinez v e-mailu. "Nyní se musíme blíže podívat na molekulární mechanismy ve skutečných rostlinách, abychom se pokusili zjistit, co tento model předpovídá."
Pohled shora na uspořádání listů v "orixátové" fylotaxi jako nové listy (červené půlkruhy) se tvoří z vrcholku výhonku (střední černý kruh) a rostou ven. (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Tým Sugiyamy pracuje na zdokonalení svého modelu ještě více a na jeho generování všech známých fylotaktických vzorců. Jeden „záhadný“ listový vzor, spirála s malým úhlem divergence, stále uniká počítačové predikci, i když si Sugiyama myslí, že je blízko k roztržení listového kódu.
"Nemyslíme si, že naše studie je pro společnost prakticky užitečná, " říká Sugiyama. "Doufáme však, že to přispěje k pochopení symetrické krásy přírody."
