• Tue. Jul 5th, 2022

PDF2DOCXFREE

Enkelt kan vara svårare än komplext

Blomkål och kaos, fraktaler i varje blommor

Byadmin

Jul 8, 2021

Munkar hoppades en gång att göra bly till guld genom alkemi. Men överväga blomkålen istället. Det krävs bara två gener för att förvandla de vanliga stjälkarna, stjälkarna och blommorna av den ogräsna, smaklösa arten Brassica oleracea till en så underbar formation som denna fraktala, molnliknande grönsak.

Detta är den verkliga alkemin, säger Christophe Godin, seniorforskare vid National Institute for Research in Digital Science and Technology i Lyon, Frankrike.

Dr. Godin studerar växtarkitektur genom att praktiskt taget modellera utvecklingen av olika arter i tre dimensioner. Han undrade vilken genetisk modifiering som lurade bakom blomkålens kapslade spiraler och de logaritmiska chartreuse-fraktalerna från Romanesco, en blomkålsort som nästan kunde förväxlas med en kristall.

“Hur kan naturen bygga sådana oväntade föremål?” han frågade. “Vad kan vara reglerna bakom detta?”

För femton år sedan träffade Dr Godin François Parcy, en växtbiolog vid National Centre for Scientific Research i Grenoble, Frankrike. I Dr. Parcy kände Dr. Godin igen en kollega för fraktalblommor.

“Det finns inget sätt du inte kan märka att det är en sådan underbar grönsak”, säger Dr Parcy, med hänvisning till Romanesco.

Upprörd av en passion för Brassica, undersökte Dr. Godin och Dr Parcy det genetiska mysteriet med fraktalgeometrin i både Romanesco och standardblomkål, trollade växterna i matematiska modeller och växte dem också i verkligheten. Deras resultat, som tyder på att fraktalerna bildas som svar på skift i nätverk av gener som styr blommig utveckling, publiceras torsdag i Vetenskap.

“Det är en så trevlig integration av genetik å ena sidan och rigorös modellering å andra sidan”, säger Michael Purugganan, en biolog vid New York University som inte var inblandad i forskningen. “De försöker visa att genom att justera reglerna för hur gener interagerar kan du få dramatiska förändringar av en växt.”

I början av 2000-talet trodde Dr Parcy att han förstod blomkålen. Han undervisade till och med om sina blommor. ”Vad är en blomkål? Hur kan det växa? Varför ser det ut så här? ” han sa.

Blomkål, som brysselkål, härstammar från århundraden av selektiv avel av Brassica oleracea. Människor uppfödde brysselkål för sidoknoppar och blomkål för blomkluster. Blomkål producerar dock inte blomknoppar; deras blomställningar eller blommande skott mognar aldrig för att producera blommor. Istället genererar blomkålblomstrar repliker av sig själva i en spiral och skapar kluster av ostmassa som växtbaserad keso.

När de två forskarna diskuterade blomkål föreslog Dr Godin att om Dr Parcy verkligen förstod växten, skulle det vara lätt att modellera grönsakens morfologiska utveckling. Som det visade sig var det inte.

De två konfronterade först den trånga gräsmattan på tavlan och skissade olika diagram över genetiska nätverk som kunde förklara hur grönsaken muterades till sin nuvarande form. Deras mus var Arabidopsis thaliana, en välstuderad ogräs i samma familj som blomkål och dess många kusiner.

Om en blomkål har en enda blomkål vid basen av växten, har Arabidopsis många blomkålliknande strukturer längs sin långsträckta stam. Men vilka gener kan förfina dessa mindre blomkål till en stor, kompakt blomkål? Och om de identifierade dessa gener, skulle de kunna vrida dessa blomkål i topparna som Romanescos bildar?

För att svara på dessa frågor skulle forskarna justera gennätverket och köra det genom matematiska modeller, generera det i 3D och mutera det i verkliga livet. “Du föreställer dig något, men tills du programmerar det vet du inte hur det kommer att se ut,” sa Dr Parcy.

(Under forskningen samlade Dr Parcy också flera exemplar av Romanesco från sin lokala bondemarknad, sekvenserade och dissekerade dem. Han och hans kollegor åt sedan på resterna, oftast råa med olika dopp, tillsammans med glas öl .)

Många initialmodeller floppade och hade lite likhet med blomkål. Först trodde forskarna att nyckeln till blomkål låg i stjälkens längd. Men när de programmerade Arabidopsis med och utan en kort stam, insåg de att de inte behövde minska blomkålens stamstorlek, varken i 3D-modellerna eller i verkligheten.

Och blomkålen de simulerade och odlade var helt enkelt inte tillräckligt fraktala. Mönstren var endast synliga i två fraktala skalor, såsom en spiral kapslad i en annan spiral. Däremot visar en vanlig blomkål ofta självlikhet i minst sju fraktalskalor, vilket betyder en spiral kapslad i en spiral kapslad i en spiral kapslad i en spiral kapslad i en spiral kapslad i en spiral kapslad i, i slutändan, en annan spiral.

Så istället för att fokusera på stammen, koncentrerade de sig på meristem, en region av växtvävnad vid spetsen på varje stam där aktivt delande celler producerar ny tillväxt. De antog att att göra meristemet större skulle öka antalet producerade skott.

Det enda problemet var att forskarna inte visste vilken gen som kunde styra meristems tak för produktion av skott.

En dag kom Eugenio Azpeitia, då postdoktor i Dr.Godins laboratorium, ihåg en gen som var känd för att ändra storleken på meristems centrala zon. De tre forskarna fick ett kort ögonblick av eufori och väntade sedan tålmodigt i flera månader på att deras nyligen modifierade Arabidopsis skulle växa. När skotten spirade hade de blomkål med tydliga koniska spetsar.

“Mycket påminner om vad som händer i Romanesco,” sa Dr. Godin stolt.

Normalt, när en växt groddar en blomma, förhindrar plantans blommande spets mer tillväxt från stammen. En blomkålmassa är en knopp som var utformad för att bli en blomma men aldrig gör det hela vägen dit och gör istället ett skott. Men forskarnas experiment i meristem fann att eftersom denna skott har passerat ett övergående blommigt stadium utsätts den för en gen som utlöser dess tillväxt. “Eftersom du har varit en blomma är du fri att växa och du kan göra en skjutning”, säger Dr Parcy.

Denna process skapar en kedjereaktion där meristem skapar många skott som i sin tur skapar många fler skott, vilket antar en blomkåls fraktalgeometri.

“Det är inte en normal stam,” sa Dr. Godin. ”Det är en stam utan blad. En stam utan hämning. ”

“Det är det enda sättet att göra en blomkål”, säger Dr Parcy.

Forskarna säger att det sannolikt finns andra mutationer som är ansvariga för den spektakulära formen av Romanesco. Ning Guo, forskare vid Beijing Vegetable Research Center som också studerar den potentiella genetiska mekanismen bakom blomkålsarkitekturen, säger att tidningen har erbjudit “mycket inspiration”.

”Historien är ännu inte klar”, sa Dr. Godin och tillade att han och Dr Parcy kommer att fortsätta att förfina sina blomkålmodeller. “Men vi vet att vi är på rätt väg.”

Men de är öppna, säger de, för att studera allt som blommar.

Leave a Reply

Your email address will not be published.