解开罗马花椰菜的螺旋结构

一组研究人员已经确定了构成罗马花椰菜螺旋锥形结构的基因，并在一种名为罗马花椰菜的小型开花植物中复制了这些模式拟南芥．这项研究是发表在杂志中科学．

花椰菜和一些花——包括大丽花和雏菊——以一种明确的“叶序螺旋”排列发展，其中植物元素与前一种以恒定的发散角度发展，本质上，无限地重复自己。

什么是分形?

在罗马壁画上看到的螺旋形图案被称为“分形”，源自拉丁语“fractus” 大致翻译过来就是 破碎的或破碎的 生于波兰的法裔美国数学家Benoit Mandelbrot教授 创造了“分形”这个词。迅速认识到它们在许多领域的相关性，包括科学，工程而且金融，使他把他的大部分生命奉献给分形几何领域。在一个 2001年MIT讲座 Mandelbrot将分形描述为“简单、复杂和开放式”。

“分形是具有非常不规则形状的数学对象——与我们想象的‘光滑’形状相反，”他说 克利斯朵夫Godin 他是Inria的高级研究员，也是科学研究。

罗曼斯科的惊人分形。来源:Steven Lasry/ Unsplash

Godin解释说，在许多尺度上观察到一个主题在整个结构中重复是很常见的，他将这个过程描述为“自相似”。

“分形通常是用简单的数学规则构造的，一遍又一遍地重复。然而，类似分形的物体在自然界中确实存在，罗马花椰菜可能是这种不规则的、自相似结构的最明显的例子之一，”戈丁解释说。

虽然科学界已经知道这些奇特的分形形式有一段时间了，但仍然难以捉摸的是它们在生物学上是如何发展的。

它们形成的潜在机制是什么?“这就是我和我的同事试图解决的问题 弗朗索瓦Parcy 和我们的两个团队，从12年前开始，”戈丁说。

Parcy和他在细胞与植物生理实验室的团队专注于研究花的发育是如何在转录和染色质水平上被控制的。

解开螺旋分形之谜

所有的花椰菜都是由螺旋状的小花组成的，每个小花本身都是由更小的小花组成的螺旋状图案。然而，戈丁警告说:“这种分形组织不是很明显，因为所有小花的表面都相对平坦，形成了一个圆形的凝乳。”

但罗马花椰菜是独一无二的，它的螺旋在三维空间中展开，使它“呈现出一个引人注目的锥形结构——在所有尺度上都以美丽的螺旋图案突出。”

研究人员操纵基因拟南芥，是一种被广泛用作研究模式生物的植物，属于同一科(十字花科)和花椰菜一样。在20世纪90年代，研究人员发现了一种拟南芥变种，由于两个基因的突变，它的花茎变成了类似花椰菜的小结构或“凝乳”。“因此，我们决定开始对这种模式植物的双突变体进行研究，”戈丁说。

拟南芥植物在培养皿中生长。

研究人员首先分析了这两个突变基因( APETALA1 （AP1）而且 菜花 （卡尔)可能会把花茎变成花椰菜凝乳。这使他们确定了一组核心遗传因素(除了两个突变的基因)，这对凝乳的形成至关重要。“这些基因共同形成了我们所说的SALT网络，”戈丁解释说。

SALT网络由几个基因组成，这些基因以前与花序和花的发育以及花椰菜样结构的发育有关拟南芥．该团队还包括 生长素 这是一种刺激新原基启动的植物激素，“F”代表能够引发花产生的不同分子。

他继续说:“这一新的步骤是决定性的，它可以弄清楚在凝乳的发展过程中会发生什么，从而产生类似罗马式的图案。然后我们了解到，只有额外的突变才能将花椰菜凝乳转变成罗马式结构。”

研究人员结合实验分析拟南芥用计算机建模的方法进一步探讨突变体的假设。

“模拟和现场实验是深度互补的。”


- - - - - - 克利斯朵夫Godin

“一旦几个基因在一起相互作用，通常不可能直观地预测如此复杂的相互作用网络会产生什么结果。模拟使我们能够量化SALT基因相互作用的动态，探索可能的结果，并最终了解花基因的临时激活在产生花椰菜凝乳中的关键作用，”戈丁说。

他们引入了第三种基因突变( CLAVATA3 （CLV3)拟南芥花椰菜突变体，结果表明拟南芥凝乳做成锥形结构，让人想起罗马式凝乳。戈丁说:“如果改造后的植物不像罗马壁画那样分形，这完全清楚地表明我们理解凝块发展的原理以及影响其形状的方法。”

他们的论文明确强调了这一发现:“我们发现凝乳的自相似性之所以出现，是因为分生组织未能形成花朵，但在花的状态下保持了短暂通道的“记忆”。”分生组织细胞位于 芽和根尖 ， 都能负责植物的生长吗 分化形成植物的不同部分。

现在，研究小组已经破译了罗马花椰菜的发育原理，他们计划进一步研究这种可食用的花椰菜，以确定将祖先植物转变为我们今天看到的花椰菜的具体遗传转化。

Godin强调了该领域的一个关键发展:“最近，非常令人兴奋的结果中国一个研究小组报告了从大量花椰菜植物测序中获得的基因序列，指出了不同物种之间的遗传差异。”

戈丁希望，通过将该小组的结果与他们自己的发现结合起来，有可能对发展是如何进行的有一个新的理解。

参考: 李志强，李志强，等。 花椰菜的分形是由花基因网络的扰动引起的。科学．2021, 373(6551): 192 - 197。doi: 10.1126 / science.abg5999

Christophe Godin接受了技术网络执行编辑Laura Elizabeth Lansdowne的采访。188金宝搏备用