Für das ungeübte Auge scheinen Pflanzen eher impulsiv zu wachsen, wobei sie Blätter nach dem Zufallsprinzip herausspringen lassen, um ein großes grünes Durcheinander zu erzeugen. Bei näherer Betrachtung werden Sie feststellen, dass auf der ganzen Welt ein paar seltsam regelmäßige Muster auftauchen, von der ausgewogenen Symmetrie der Bambussprossen bis zu den faszinierenden Spiralen der Sukkulenten.
Tatsächlich sind diese Muster konsistent genug, dass kalte, harte Mathematik das organische Wachstum ziemlich gut vorhersagen kann. Eine Annahme, die für das Studium der Phyllotaxis oder der Blattmuster von zentraler Bedeutung war, ist, dass Blätter ihren persönlichen Raum schützen. Basierend auf der Idee, dass bereits existierende Blätter einen hemmenden Einfluss auf neue haben und ein Signal abgeben, um zu verhindern, dass andere in der Nähe wachsen, haben Wissenschaftler Modelle entwickelt, mit denen viele der gängigen Designs der Natur erfolgreich nachgebildet werden können. Die immer wieder faszinierende Fibonacci-Sequenz zeigt sich zum Beispiel in Sonnenblumenarrangements, Nautilusmuscheln und Tannenzapfen. Der gegenwärtige Konsens ist, dass die Bewegungen des Wachstumshormons Auxin und der Proteine, die es durch eine Pflanze transportieren, für solche Muster verantwortlich sind.
Eine Blattanordnung mit einem Blatt pro Knoten wird als alternative Phyllotaxis bezeichnet, während eine Anordnung mit zwei oder mehr Blättern pro Knoten als quirlige Phyllotaxis bezeichnet wird. Häufige alternative Arten sind Distichous Phyllotaxis (Bambus) und Fibonacci-Spiral-Phyllotaxis (die sukkulente Spiral-Aloe). Häufige Whorled-Arten sind Decussate Phyllotaxis (Basilikum oder Minze) und Tricussate Phyllotaxis ( Nerium Oleander, manchmal auch als Dogbane bekannt). (Takaaki Yonekura unter CC-BY-ND) Bestimmte Blattarrangements stumpfen jedoch weiterhin bei populären Modellen für das Pflanzenwachstum ab, einschließlich der Douady- und Couder-Gleichungen (bekannt als DC1 und DC2), die seit den 1990er Jahren dominiert haben. Ein von Forschern der Universität Tokio geleitetes Team, das einen Strauch namens Orixa japonica untersuchte, stellte fest, dass frühere Gleichungen die ungewöhnliche Struktur der Pflanze nicht wiederherstellen konnten, und beschloss, das Modell selbst zu überdenken. Ihr aktualisiertes Modell, das in einer neuen Studie in PLOS Computational Biology beschrieben wurde, reproduziert nicht nur das einmal schwer fassbare Muster, sondern kann auch andere, häufigere Anordnungen besser beschreiben als frühere Gleichungen, so die Autoren.
"In den meisten Pflanzen haben phyllotaktische Muster Symmetrie - Spiralsymmetrie oder Radialsymmetrie", sagt der Pflanzenphysiologe Munetaka Sugiyama von der Universität Tokio, leitender Autor der neuen Studie. „Aber in dieser speziellen Pflanze, Orixa japonica, ist das phyllotaktische Muster nicht symmetrisch, was sehr interessant ist. Vor mehr als 10 Jahren kam mir die Idee, dass einige Änderungen in der Hemmkraft jedes Blattprimordiums dieses eigentümliche Muster erklären könnten. “
Botaniker verwenden die Divergenzwinkel oder Winkel zwischen aufeinanderfolgenden Blättern, um die Phyllotaxis einer Pflanze zu definieren. Während die meisten Blattanordnungsmuster einen konstanten Divergenzwinkel beibehalten, wächst der in Japan und anderen Teilen Ostasiens beheimatete O. japonica- Strauch in einer Reihe von vier sich wiederholenden Winkeln: 180 Grad, 90 Grad, wieder 180 Grad. dann 270 Grad.
Ein Orixa japonica Strauch mit den verschiedenen Divergenzwinkeln der Blätter sichtbar. (Qwert1234 über Wikicommons unter CC BY-SA 4.0) Dieses Muster, das die Forscher Phyllotaxis "orixieren" nannten, ist nicht nur eine einmalige Anomalie, da Pflanzen aus anderen Taxa (wie die "glühende Schürhakenblume" Kniphofia uvaria oder die Kreppmyrte Lagerstroemia indica ) ihre Blätter im Wechsel halten komplizierte Sequenz. Da die Blattanordnung an verschiedenen Stellen des Evolutionsbaums auftaucht, folgerten die Autoren, dass die Ähnlichkeit von einem gemeinsamen Mechanismus herrührt, der eine weitere Untersuchung rechtfertigt.
Nach dem Testen der Douady- und Couder-Gleichungen mit verschiedenen Parametern konnten die Autoren Muster erzeugen, die nahe an der alternierenden Orixatanordnung lagen, aber keine der simulierten Pflanzen passte perfekt zu den Proben von O. japonica, die sie sezierten und untersuchten. Aus diesem Grund baute das Team ein neues Modell, indem es den Douady- und Couder-Gleichungen eine weitere Variable hinzufügte: das Blattalter. Frühere Modelle gingen davon aus, dass die Hemmkraft der Blätter über die Zeit gleich blieb, aber diese Konstante sei „aus biologischer Sicht nicht natürlich“, sagt Sugiyama. Stattdessen ließ Sugiyamas Team die Möglichkeit zu, dass sich die Stärke dieser "Abwehr" -Signale im Laufe der Zeit änderte.
Die resultierenden Modelle, die das Team als erweiterte Douady- und Couder-Modelle (EDC1 und EDC2) bezeichnet, konnten durch computergesteuertes Wachstum die komplizierten Blattanordnungen von O. japonica nachbilden. Darüber hinaus ergaben die erweiterten Gleichungen auch alle anderen gängigen Laubmuster und sagten die natürlichen Häufigkeiten dieser Sorten genauer als frühere Modelle voraus. Insbesondere bei spiralförmig gemusterten Pflanzen sagte das neue EDC2-Modell die „Super-Dominanz“ der Fibonacci-Spirale im Vergleich zu anderen Anordnungen voraus, während frühere Modelle nicht erklärten, warum diese besondere Form in der Natur überall vorkommt.
„Unser Modell EDC2 kann zusätzlich zu allen wichtigen Arten von Phyllotaxis Orixierungsmuster erzeugen. Dies ist eindeutig ein Vorteil gegenüber dem Vorgängermodell “, sagt Sugiyama. "EDC2 passt auch besser zum natürlichen Auftreten verschiedener Muster."
Blätter an einem Orixa japonica- Zweig (oben links) und eine schematische Darstellung der Orixat-Phyllotaxis (rechts). Das Orixatmuster zeigt eine merkwürdige Änderung des Winkels zwischen den Blättern in vier Zyklen. Ein Rasterelektronenmikroskop (Mitte und unten links) zeigt die Winterknospe von O. japonica, in der die Blätter zuerst zu wachsen beginnen. Primordiale Blätter werden nacheinander mit dem ältesten Blatt als P8 und dem jüngsten Blatt als P1 gekennzeichnet. Die Beschriftung O markiert die Triebspitze. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama unter CC-BY) Die Autoren können noch nicht abschließen, warum das Blattalter genau diese Wachstumsmuster beeinflusst, obwohl Sugiyama spekuliert, dass dies möglicherweise mit Änderungen des Auxin-Transportsystems im Verlauf der Entwicklung einer Pflanze zu tun hat.
Solche Rätsel könnten durch „Push and Pull“ zwischen Computermodellen und Laborexperimenten gelöst werden, sagt Ciera Martinez, eine Computational Biologistin, die nicht an der Studie beteiligt war. Das Modell der Autoren bietet einen aufregenden Schritt für ein besseres Verständnis der Phyllotaxis und lässt anderen Botanikern Raum, die Lücken mit der Zerlegung und Analyse von Pflanzen zu schließen.
„Auch wenn wir bei Modellen den genauen Mechanismus noch nicht kennen, erhalten wir zumindest wichtige Hinweise, wonach wir suchen müssen“, heißt es in einer E-Mail von Martinez. "Jetzt müssen wir uns nur noch die molekularen Mechanismen in realen Pflanzen genauer ansehen, um herauszufinden, was das Modell vorhersagt."
Eine Draufsicht auf Blattanordnungsmuster in "orixierter" Phyllotaxis, wenn sich neue Blätter (rote Halbkreise) von der Triebspitze (zentraler schwarzer Kreis) bilden und nach außen wachsen (Takaaki Yonekura unter CC-BY-ND). Sugiyamas Team arbeitet daran, ihr Modell noch weiter zu verfeinern und alle bekannten phyllotaktischen Muster zu generieren. Ein "mysteriöses" Blattmuster, eine Spirale mit einem winzigen Divergenzwinkel, entzieht sich immer noch der rechnerischen Vorhersage, obwohl Sugiyama glaubt, dass sie dem Knacken des Blattcodes nahe sind.
"Wir glauben nicht, dass unsere Studie für die Gesellschaft praktisch nützlich ist", sagt Sugiyama. "Aber wir hoffen, dass dies zu unserem Verständnis der symmetrischen Schönheit in der Natur beiträgt."
