自然界植物形成多种多样的螺旋结构被解密：分生组织无法正常形成花学术资讯

在整个发育过程中，植物分生组织定期产生呈螺旋状、相反状或轮状图案的器官。花椰菜呈现出一种不寻常的器官排列，其中有许多螺旋嵌套在各种鳞片上。这种分形的、自相似的组织如何从发育机制中出现仍然难以捉摸。

2021年7月9日，法国里昂大学Eugenio Azpeitia等人在Science 在线发表题为“Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks”的研究论文，该研究将拟南芥花椰菜样突变体的实验分析与建模相结合，发现花球自相似性的产生是因为分生组织无法形成花朵，而将其短暂传递的“记忆”保持在花朵状态。影响分生组织生长的其他突变可以诱导锥形结构的产生，让人联想到显眼的分形罗马式建筑。这项研究揭示了分形形式如何从花卉发育程序和生长动态的关键、明确的扰动的组合中出现。

总之，该研究结果植物分子和形态随时间的变化，通过这些变化，分生组织获得了不同的特性，从而形成了在自然界和作物中发现的高度多样化和迷人的植物结构阵列。

地上植物结构源自茎尖分生组织 (SAM)，即产生叶、芽或花等器官的干细胞池。茎上器官的排列称为叶序。具有螺旋叶序的植物通常形成两个器官螺旋家族，它们在花头、松果或仙人掌等紧凑结构上可见。这两个螺旋系列以相反的方向转动，并出现在斐波那契数列的两个连续数字中。在花椰菜中，螺旋家族不仅在一个尺度上而且在多个尺度上可见。这种自相似组织在 Romanesco 栽培品种中达到顶峰，其中螺旋出现在浮雕中，因为它们在所有尺度上都是圆锥形，几何特征赋予整个花球状的分形外观。

植物花序叶序螺旋的插图（图源自Science ）

花椰菜 (Brassica oleracea var. botrytis) 从卷心菜驯化而来。花椰菜花序呈花球状，因为每个新出现的花原基永远不会成熟到花期，而是产生更多花球状的花序。在花椰菜中，导致花球发育的遗传修饰仍然存在争议，并且可能受多个基因影响。

花椰菜样结构也存在于模型 Brassicaceae 拟南芥中，由 APETALA1 (AP1) 和 CAULIFLOWER (CAL) 的双突变引起，这是两个编码 MADS-box 转录因子的旁系同源基因(TFs) ，促进花发育。控制芽和花发育的拟南芥分子调节因子已被大量鉴定。已经提出了基于这些调节器的网络模型来解释花和花序的发育。然而，这些网络的变体是否能够解释拟南芥 ap1 cal 花球的发育尚不清楚。

为了解决这个问题，该研究首先建立了一个涉及花卉和花球发育的主要监管者网络。然后，该研究将该网络嵌入植物发育的三维 (3D) 计算模型中，以了解突变如何将野生型 (WT) 花序转化为花球。

本期Science 文章封面（图源自Science ）

该研究将拟南芥花椰菜样突变体的实验分析与建模相结合，发现花球自相似性的产生是因为分生组织无法形成花朵，而将其短暂传递的“记忆”保持在花朵状态。影响分生组织生长的其他突变可以诱导锥形结构的产生，让人联想到显眼的分形罗马式建筑。这项研究揭示了分形形式如何从花卉发育程序和生长动态的关键、明确的扰动的组合中出现。

来源：iNature

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