Domestikaation prosessin aikana ihminen on valinnut kasveja, jotka parhaiten vastaavat hÀnen tarpeitaan, esimerkiksi suurempia hedelmiÀ tai jyviÀ, jotka pysyvÀt kiinni tÀhkÀssÀ. Tiedettiin, ettÀ nÀmÀ kasvit olivat geneettisesti hieman erilaisia kuin villikasvit, mutta vasta viime vuosina on alettu tunnistaa nÀiden erojen geneettistÀ alkuperÀÀ ja ymmÀrtÀÀ, miten nÀmÀ erot ilmenevÀt muodon, koon tai vÀrin muutoksina.
Kuvituskuva Pixabay
Kaali (Brassica oleracea) on upea esimerkki domestikaatiosta. Villikasveista, jotka tuottavat vain muutaman lehden ja sitten kukintovarren, joka muistuttaa rypsin kukintoa, domestikaatio on mahdollistanut erilaisten vihannesten, kuten vihreÀn kaalin, lehtikaalin, juurikaalin, ruusukaalin ja kaalin, jossa kukintovarsi, jota kutsutaan kukinnoksi, muuttuu parsakaaliksi, kukkakaaliksi tai jopa kiehtovasti fraktaalimuotoiseksi romanesco-kaaliksi, tuottamisen.
Viimeksi mainittu koostuu spiraaleista, jotka on tehty pienistÀ kartiomaisista rakenteista, joita kutsutaan floreteiksi, jotka muistuttavat kukin kokonaiskaalin kartiomaisesta muodosta. Ja jokainen nÀistÀ floreteista koostuu edelleen spiraaleista, jotka on tehty vielÀ pienemmistÀ kartiomaisista floreteista, ja niin edelleen. TÀmÀ ominaisuus, jossa sama geometrinen malli esiintyy kaikkialla ja kaikilla mittakaavoilla yhdessÀ muodossa (puhumme itse-similaarisuudesta), antaa romanesco-kaalille sen huomattavan "fraktaalisen" luonteen.
Miten vuosisatojen aikana kertyneet geneettiset muutokset ovat voineet muuttaa varsien ja kukkien kasvua niin radikaalisti ja tuottaa niin monimutkaisia ja tÀydellisiÀ fraktaalimuotoja?
Geneettinen taistelu varsien ja kukkien vÀlillÀ
Miten vuosisatojen aikana kertyneet geneettiset muutokset ovat voineet muuttaa varsien ja kukkien kasvua niin radikaalisti ja tuottaa niin monimutkaisia ja tÀydellisiÀ fraktaalimuotoja?KansainvÀlinen konsortio on tarttunut tÀhÀn arvoitukseen kÀyttÀmÀllÀ Arabidopsis thaliana -kasvia, joka on hyvin tutkittu rikkakasvi ja kaalin sukulainen. Tuloksemme ovat juuri ilmestyneet Science-lehdessÀ. Arabidopsis-kasvissa huomattiin 90-luvulla, ettÀ kaksi mutaatiota, eli geneettiset hÀiriöt, riittÀvÀt muuttamaan kukat pieniksi kaaleiksi! TÀmÀ viittasi siihen, ettÀ mutaatioiden mÀÀrÀ, joka on vÀlttÀmÀtöntÀ muuttaa esikasvin rakenne syötÀvÀksi kukkakaaliksi, oli ehkÀ lopulta suhteellisen pieni.
Miten kaksi mutaatiota voivat aiheuttaa niin dramaattisen muodon muutoksen? YmmÀrtÀÀksemme tÀmÀn, meidÀn on tarkasteltava, miten kasvit kasvavat.
Kasvin ilmakehÀosa on seurausta siemenessÀ olevan silmun kasvusta, joka tuottaa varren ja uusia silmuja, jotka jakautuvat pitkin tÀtÀ vartta, joka puolestaan tuottaa muita varsia ja uusia silmuja jne. NÀmÀ silmut voivat kasvaa heti tai pysyÀ lepotilassa. Kun ne kasvavat, ne voivat muodostaa lehtivarsia tai kukkia.
TÀmÀ riippuu siitÀ, miten taistelu, joka tapahtuu jokaisessa uudessa luodussa silmussa, kehittyy varsigeenien ja kukkageenien vÀlillÀ, jotka kilpailevat antaakseen identiteetin silmulle. TÀmÀ taistelu sisÀltÀÀ vaikeasti tulkittavan liittoumien ja vuorovaikutusten verkoston.
YmmÀrtÀÀksemme tÀtÀ monimutkaista verkkoa ja sen vaikutusta kasvin kasvuun, olemme kehittÀneet lÀhestymistavan, joka yhdistÀÀ biologisen kokeilun, matemaattisen mallinnuksen ja kasvin 3D-kehityksen simulaation. TÀmÀ analyysi on mahdollistanut geneettisen mekanismin eristÀmisen, joka on vastuussa kukkakaalin muodosta, ja ymmÀrtÀmÀÀn sen vaikutusta kasvin kasvuun.
Yhteenvetona voidaan todeta, ettÀ kyseessÀ on alueellinen sota. Normaalissa kasvissa, kun se kehittÀÀ kukkasilmuja, ensimmÀinen geeni "kukkasuunnittelija" aktivoituu silmuissa. Kukan muodostamiseksi sen on kuitenkin kutsuttava muita kukkageenejÀ avuksi, jotka estÀvÀt varsigeenien hyökkÀyksen silmuun. Silmu saa siten lopullisesti "kukka" -identiteetin.
Ikuisesti tuotetut varret fraktaalien muodostamiseksi
Arabidopsis-kukkakaalissa kukkasuunnittelija kutsuu kukka-avustajia, mutta niitÀ ei tule, ja syystÀ: juuri nÀmÀ geenit on inaktivoitu kahden mutaation myötÀ! TÀmÀn seurauksena silmu, joka on alkanut siirtyÀ kukka-tilaan, on vallattu varsigeenien toiminnan myötÀ, jotka antavat sille identiteettinsÀ.Mutta nÀmÀ silmut eivÀt ole tÀysin normaaleja varsia! Tiimimme on osoittanut, ettÀ niiden lyhyt siirtyminen kukka-tilaan on vaikuttanut niihin peruuttamattomasti ja mahdollistaa niiden, toisin kuin normaalit varret, alkaa kasvaa heti (ilman lepotilaan siirtymistÀ normaalissa kasvissa), ilman lehtiÀ, ja nÀin ollen lisÀÀntyÀ nopeasti ja lÀhes loputtomasti.
NÀin muokatut varsisilmut tuottavat uusia kukkasilmuja, jotka eivÀt onnistu tuottamaan kukkaa, mutta palaavat takaisin varsisilmuiksi, jotka yrittÀvÀt tuottaa uusia kukkasilmuja ilman onnistumista, ja niin edelleen. Kukkakaali syntyy siis todellisesta ketjureaktiosta, jonka laukaisee silmujen hetkellinen siirtyminen "kukka" -tilaan, mikÀ johtaa varren, varren, varren kasaantumiseen... ja muodostaa kukkakaalin spiraalimaisen fraktaalirakenteen.
SyötÀvÀ kukkakaali ja romanesco-kaali muodostuvat melko samankaltaisella mekanismilla kuin Arabidopsis, vaikka ne ovat suurempia ja tiiviimpiÀ. Mutta miksi Romanesco nÀyttÀÀ niin fraktaaliselta? Itse asiassa kukkakaali on jo fraktaalinen. SiinÀ on floretteja, jotka muistuttavat kaikkia mittakaavoja ja ovat jÀrjestetty spiraaleihin. Mutta tÀmÀ ei nÀy hyvin, koska kokonaisrakenne on litistynyt pinnalla ja erilaiset floretti ovat vÀhÀn yksilöityjÀ.
Romanescossa jokaisen floretin pyramidaalinen muoto korostaa fraktaalista ulkonÀköÀ. Tutkijat ovat osoittaneet numeeristen simulaatioiden ja kokeiden avulla Arabidopsis-kukkakaalilla, ettÀ tÀmÀ ominaisuus syntyy todennÀköisesti siitÀ, ettÀ romanesco-kaalin silmujen ytimessÀ uudet silmut tuotetaan kasvavalla tahdilla ja jokaisen silmun kasvaessa, kun taas tÀmÀ tahti pysyy vakaana kukkakaalissa.
TÀmÀ ominaisuus riittÀÀ nopeuttamaan jokaisen floretin varren kasvua ja antamaan niille pyramidaalisen ulkonÀön. Romanescon fraktaalinen rakenne on erÀÀnlainen "kohokuvastuma" kukkakaalin fraktaalisesta rakenteesta.
Tutkimuksemme tuo syvÀllistÀ ymmÀrrystÀ siitÀ, miten geenien aktiivisuus yhdistyy kasvuun antaakseen kukkakasveille niiden ulkonÀön. Se paljastaa tÀmÀn varren silmujen ÀÀrimmÀisen lisÀÀntymiskyvyn, kyvyn, joka on useimmiten piilossa luonnossa eri mekanismien vuoksi: silmut tuottavat kukkia tai varsia, jotka pitenevÀt ennen uusien tuottamista, ja antavat nÀin vÀhemmÀn tiiviitÀ rakenteita kuin kaalit; yhdessÀ varressa on kasvun prioriteettihierarkia, jossa sivusilmut pysyvÀt usein lepotilassa niin kauan kuin pÀÀsilmukka kasvaa; lopuksi itse kukkimismekanismi pÀÀttÀÀ silmun toiminnan muuttamalla sen kukaksi.
Kaikki nÀmÀ mekanismit, jotka estÀvÀt luonnollisesti varsien lisÀÀntymisen normaalisti useimmissa kasveissa, on samanaikaisesti inaktivoitu kukkakaalissa, joka voi siten tuottaa massiivisesti toistuvia ja tiiviitÀ varsirakenteita.
NÀmÀ tulokset malli-kasvista Arabidopsis avaa uusia nÀkymiÀ tutkimuksessa ja maataloudessa. Tutkimuksessa esimerkiksi ne toimivat oppaana etsiessÀmme domestikaation aikana muunneltuja geenejÀ, jotka ovat lopulta vastuussa kukkakaalin ja Romanescon niin erityisestÀ muodosta. Maataloudessa ne tarjoavat arvokkaan analyysikehyksen, jonka avulla voidaan harkita uusia edistysaskeleita domestikaatiossa.
Kun kaikki kukkakaalin muotoon liittyvÀt mutaatiot on tunnistettu, on mahdollista domestikoida villikaaleja, jotka tarjoavat etuja maataloudessa (kuten paremman vastustuskyvyn sairauksille tai lÀmpötilan nousuille) ja saada ne tuottamaan kukkakaaleja tai romanesco-kaaleja. TÀtÀ lÀhestymistapaa, jota kutsutaan uudeksi domestikaatioksi, pyritÀÀn nopeuttamaan (esimerkiksi kÀyttÀmÀllÀ genomin muokkaustekniikoita) domestikaation polkua, joka on kestÀnyt useita vuosituhansia esi-isillemme.