A un occhio non allenato, le piante possono sembrare crescere in modo piuttosto impulsivo, facendo scoppiare le foglie a caso per creare un grande miscuglio verde. Dai un'occhiata più da vicino, però, e scoprirai che alcuni modelli curiosamente regolari spuntano in tutto il mondo naturale, dalla simmetria equilibrata dei germogli di bambù alle spirali ipnotizzanti delle piante grasse.
In effetti, questi schemi sono abbastanza coerenti che la matematica fredda e dura può prevedere abbastanza bene la crescita organica. Un presupposto che è stato fondamentale nello studio della fillotassi, o modelli di foglie, è che le foglie proteggono il loro spazio personale. Basandosi sull'idea che le foglie già esistenti abbiano un'influenza inibitoria su quelle nuove, emettendo un segnale per impedire ad altri di crescere nelle vicinanze, gli scienziati hanno creato modelli in grado di ricreare con successo molti dei disegni comuni della natura. La sempre affascinante sequenza di Fibonacci, ad esempio, si presenta in tutto, dalle composizioni di semi di girasole ai gusci di nautilus alle pigne. L'attuale consenso è che i movimenti dell'ormone della crescita auxina e le proteine che lo trasportano attraverso una pianta sono responsabili di tali schemi.
La disposizione fogliare con una foglia per nodo è chiamata fillotassi alternativa, mentre la disposizione con due o più foglie per nodo è chiamata fillotassi a spirale. I tipi alternativi più comuni sono la fillotasside distica (bambù) e la fillotassi a spirale di Fibonacci (l'aloe a spirale succulenta), mentre i tipi più comuni sono la fillotassi decussata (basilico o menta) e la fillotassi tricussata ( Nerium oleander, talvolta noto come dogbane). (Takaaki Yonekura sotto CC-BY-ND) Tuttavia, alcune disposizioni fogliari continuano a mettere a dura prova i modelli popolari per la crescita delle piante, tra cui le equazioni di Douady e Couder (note come DC1 e DC2) che hanno dominato dagli anni '90. Un team guidato da ricercatori dell'Università di Tokyo che studiano un arbusto noto come Orixa japonica ha scoperto che le equazioni precedenti non potevano ricreare la struttura insolita della pianta, quindi hanno deciso di ripensare il modello stesso. Il loro modello aggiornato, descritto in un nuovo studio in PLOS Computational Biology, non solo riproduce il modello una volta sfuggente, ma può anche descrivere altre disposizioni più comuni meglio delle equazioni precedenti, affermano gli autori.
"Nella maggior parte delle piante, i modelli filotattici hanno simmetria: simmetria a spirale o simmetria radiale", afferma Munetaka Sugiyama, fisiologo vegetale dell'Università di Tokyo, autore senior del nuovo studio. “Ma in questa pianta speciale, Orixa japonica, il modello filotattico non è simmetrico, il che è molto interessante. Più di 10 anni fa, mi è venuta l'idea che alcuni cambiamenti nel potere inibitorio di ogni foglia di primordio possano spiegare questo peculiare modello ”.
I botanici usano gli angoli di divergenza, o angoli tra le foglie consecutive, per definire la fillotassi di una pianta. Mentre la maggior parte dei modelli di disposizione delle foglie mantiene un angolo di divergenza costante, l'arbusto O. japonica, originario del Giappone e di altre parti dell'Asia orientale, fa crescere le foglie in una serie alternata di quattro angoli ripetuti: 180 gradi, 90 gradi, 180 gradi di nuovo, quindi 270 gradi.
Un arbusto Orixa japonica con i vari angoli di divergenza delle foglie visibili. (Qwert1234 tramite Wikicommons in CC BY-SA 4.0) Questo schema, che i ricercatori hanno soprannominato la fillotassi "orixata", non è solo un'anomalia di una volta, poiché piante di altri taxa (come il fiore "poker rovente" Kniphofia uvaria o il mirto di crepe Lagerstroemia indica ) alternano le loro foglie nella stessa sequenza complicata. Poiché la disposizione delle foglie appare in diversi punti dell'albero evolutivo, gli autori hanno concluso che la somiglianza proveniva da un meccanismo comune che garantiva ulteriori studi.
Dopo aver testato le equazioni di Douady e Couder con parametri diversi, gli autori sono stati in grado di produrre modelli vicini alla disposizione alternata degli orixati, ma nessuna delle piante simulate corrispondeva perfettamente ai campioni di O. japonica che avevano sezionato e studiato. Quindi il team ha creato un nuovo modello aggiungendo un'altra variabile alle equazioni di Douady e Couder: l'età delle foglie. Gli ex modelli presumevano che il potere inibitorio delle foglie rimanesse lo stesso nel tempo, ma questa costante non era "naturale dal punto di vista della biologia", afferma Sugiyama. Invece, il team di Sugiyama ha consentito la possibilità che la forza di questi segnali "da tenere lontano" sia cambiata nel tempo.
I modelli risultanti - che il team chiama Douady e Couder espansi, EDC1 ed EDC2 - sono riusciti a ricreare, attraverso la crescita computerizzata, le complesse disposizioni fogliari di O. japonica . Oltre a questa impresa, le equazioni estese hanno anche prodotto tutti gli altri modelli di fogliame comuni e hanno predetto le frequenze naturali di queste varietà con maggiore precisione rispetto ai modelli precedenti. Soprattutto nel caso delle piante a spirale, il nuovo modello EDC2 ha predetto il "super-dominio" della spirale di Fibonacci rispetto ad altre disposizioni, mentre i modelli precedenti non hanno spiegato perché questa particolare forma sembra apparire ovunque in natura.
“Il nostro modello, EDC2, è in grado di generare schemi di orixate in aggiunta a tutti i principali tipi di fillotassi. Questo è chiaramente un vantaggio rispetto al modello precedente ", afferma Sugiyama. "L'EDC2 si adatta anche meglio alla naturale presenza di vari schemi."
Foglie su un ramo Orixa japonica (in alto a sinistra) e un diagramma schematico della fillotassi di orixato (a destra). Il modello di orixato mostra un peculiare cambio di quattro cicli dell'angolo tra le foglie. Un'immagine al microscopio elettronico a scansione (al centro e in basso a sinistra) mostra il bocciolo invernale di O. japonica, dove le foglie iniziano a crescere per prime. Le foglie primordiali sono etichettate in sequenza con la foglia più antica come P8 e la foglia più giovane come P1. L'etichetta O segna l'apice delle riprese. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama sotto CC-BY) Gli autori non possono ancora concludere cosa induca esattamente l'età delle foglie a influenzare questi schemi di crescita, sebbene Sugiyama speculi che potrebbe avere a che fare con le modifiche al sistema di trasporto delle auxine nel corso dello sviluppo di una pianta.
Tali misteri potrebbero essere risolti dal "push and pull" tra modelli computazionali ed esperimenti di laboratorio, afferma Ciera Martinez, una biologa computazionale che non era coinvolta nello studio. Il modello degli autori fornisce un passo emozionante verso una migliore comprensione della fillotassi e lascia spazio ad altri botanici per colmare le lacune con la dissezione e l'analisi delle piante.
"Con i modelli, anche se potremmo non conoscere ancora il meccanismo esatto, ci vengono almeno forniti potenti indizi su cosa cercare", afferma Martinez in un'e-mail. "Ora non ci resta che guardare più da vicino i meccanismi molecolari nelle piante reali per cercare di scoprire ciò che prevede il modello."
Una vista dall'alto verso il basso dei modelli di disposizione delle foglie nella fillotassi "orixata" mentre nuove foglie (semicerchi rossi) si formano dall'apice del germoglio (cerchio nero centrale) e crescono verso l'esterno (Takaaki Yonekura sotto CC-BY-ND) Il team di Sugiyama sta lavorando per perfezionare ulteriormente il proprio modello e far sì che generi tutti i modelli phyllotactic noti. Un modello di foglie "misterioso", una spirale con un piccolo angolo di divergenza, sfugge ancora alla previsione computazionale, anche se Sugiyama pensa che siano vicini a decifrare il codice frondoso.
"Non pensiamo che il nostro studio sia praticamente utile per la società", afferma Sugiyama. "Ma speriamo che contribuirà alla nostra comprensione della bellezza simmetrica in natura."
