Onderzoek: Planten regelen het optimale gebied voor fotosynthese

Een team van de Universiteit van Tübingen heeft het basismechanisme van vormvorming in planten ontdekt, volgens de theorie van wiskundige Alan Turing.

bladeren van planten Het heeft een groot gebied nodig om zonlicht op te vangen voor fotosynthese. arts. In samenwerking met een internationaal team hebben Emanuel Scacchi en professor Marja Timmermans van het Centrum voor Plantenmoleculaire Biologie van de Universiteit van Tübingen de genetische mechanismen ontdekt die de vlakke groei van bladeren controleren: een soort ingebouwd GPS-systeem dat elk blad informeert cel over zijn relatieve positie in het zich ontwikkelende blad. de Patroon bestellen komt overeen met één Het biologische concept van zelforganisatieDit werd voorspeld door de legendarische wiskundige en denker Alan Turing. Het onderzoek naar bladgroei werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Plants.

“Wanneer cellen zich delen en vermenigvuldigen, vormen ze doorgaans een massa cellen. We wilden weten hoe, in het geval van een blad, een gebied zo groot kan worden”, zegt Scacchi. Daartoe heeft een team van wiskunde en praktische biologie werkten samen om computermodellen te gebruiken om methoden te ontwikkelen Moleculaire genetica en beeldvormingstechnieken Het volgen van de processen die plaatsvinden in levende organismen.

“De basis voor het vormen van dit patroon is één polariteitDat wil zeggen, het vermogen om in dit geval onderscheid te maken tussen omhoog en omlaag. Meestal heeft het één oorzaak Concentratiegradaties “Van een stof genaamd morfogeen, die aan de ene kant laag en aan de andere kant hoog is”, legt de wetenschapper uit.

Zelfbeheersing

Het team ontdekte dat zogenaamde kleine RNA's een cruciale rol spelen bij het beheersen van de bladgroei. Als mobiele boodschappers worden ze gebruikt om cellen met elkaar te laten communiceren en cellen te helpen hun relatieve toestand te behouden Om hun positie ten opzichte van elkaar in de structuur te realiseren – Zoals GPS. Kleine RNA-moleculen brengen ook informatie over die coördineert welke genen stroomopwaarts en stroomafwaarts moeten worden geactiveerd of onderdrukt om het blad de juiste vorm en functie te laten hebben. “dit Het controlemechanisme werkt onafhankelijk “Bij de bladontwikkeling is er geen centrale controle in de plant”, zegt Timmermans. “We merken op dat onze resultaten consistent zijn met een theorie die meer dan zeventig jaar geleden door Alan Turing werd voorgesteld. Hoewel hij vooral bekend staat om zijn belangrijke bijdragen aan de informatica, bestudeerde hij ook de mysteries van de natuur.

Turing suggereerde dit Eenvoudige interacties van specifieke moleculen Het kan complexe patronen creëren in de cellen van levende organismen, zoals de vlekken op de huid van een tijger of de strepen van een zebra. “Hij beschreef deze processen wiskundig in zijn boek De theorie van morfogenese of vormvorming. Onze nieuwe studie is gebaseerd op deze theorie. “We hebben een mechanisme ontdekt dat wordt bestuurd door kleine RNA-moleculen en dat consistent is met Turing’s concept van patroonvorming door zelforganisatie”, zegt de onderzoeker.

In dit geval verwijst zelforganisatie naar het genetisch gecontroleerde gedrag van cellen die samenwerken als een zwerm vogels en een collectief gedrag vormen om het juiste patroon en de platte structuur van het blad te produceren. Elke vogel in een kudde reageert op de bewegingen van zijn buren, en hoewel er geen leider is, creëren groepsinteracties een samenhangend, georganiseerd patroon.

Aanpasbaar systeem

“de Kleine RNA-moleculen “In de cellen van het zich ontwikkelende blad wordt een genetisch proces in gang gezet waardoor de cellen hun omgeving kunnen waarnemen en interpreteren”, zegt Scacchi. Genetische activiteiten tussen cellen zullen zo worden gecoördineerd dat de boven- en onderoppervlakken van elk blad scherp gescheiden zijn, waardoor een vlakke plaat ontstaat die ideaal is voor fotosynthese. Een zelfregulerend Turing-mechanisme kan genactiviteit in en sturen Externe verstoringen in bladgroei bewerken. Hierdoor kunnen de bladeren dezelfde vorm behouden, zelfs als de omgevingsomstandigheden radicaal veranderen. “Dit genetische systeem biedt ook veel mogelijkheden voor verfijning. Dit verklaart de diversiteit aan bladvormen die in de natuur voorkomen, van eenvoudige ranken van klimplanten tot complexe vallen van vleesetende planten.”

“ons Ontdekking “Maar het is niet alleen belangrijk om een ​​nieuw hoofdstuk toe te voegen aan de erfenis van Turing”, zegt Timmermans. “We hebben de basismechanismen gedecodeerd waarmee kleine RNA's zelfregulerende genetische processen mogelijk maken. Nu kunnen we onderzoeken hoe mensen dat doen.” Veranderende biologische functies Het kan gebruikt worden. Nu de vraag naar voedsel over de hele wereld toeneemt, hebben we betere, hoogproductieve gewassen nodig die bestand zijn tegen ziekten Stressfactoren als Opwarming van de aarde Zij.” (Universiteit van Tübingen)