【PNAS】生长素使非洲菊花序中的螺旋遵循斐波那契数列

PNAS在线发表了来自赫尔辛基大学Paula Elomaa组和卡尔加里大学Przemyslaw Prusinkiewicz课题组题为“Phyllotactic patterning of gerbera flower heads”的研究论文。该研究整合实验数据和计算模型来解释非洲菊的花序的形成的机制。

向日葵的花是头状花序或花冠，由数百朵花组成。周围的'花瓣'的小花在结构和功能上都与靠近中心的小花不同。巨大的花序是有益的，因为它可以有效地吸引传粉媒介。当传粉者在花序中移动时，会在旅途中对数百个小花进行授粉。然而，花序中小花的顺序不是随机的。这些小花的排列呈现两组相向排列的螺旋形线条，一组是顺时针旋转，一组是逆时针旋转，其数量遵循数学上熟悉的斐波那契数列。斐波那契数是序列中前两个数字的总和：1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144 ...。在头状花序中，左右缠绕的螺旋数始终是两个连续的斐波那契数。向日葵头状花序可以有多达89个右旋和144个左旋螺旋，而非洲菊（菊科植物家族中另一种受到广泛研究的植物）的螺旋较少（34/55）（见下图）。然而对于观察到这种生长模式的分子机制，我们仍知之甚少。

该研究第一次能够在分子水平上检查花卉原基在非洲菊的生长点或分生组织中如何形成螺旋状。研究者在X射线断层扫描的帮助下，扫描了非洲菊分生组织发育不同阶段的三维图像。并且使用共聚焦显微镜检查了小于一毫米大小的分生组织，以确定植物激素生长素的位置，后者决定了原基的位置。最后，该研究将数学建模应用于获得的数据，获得一个计算机三维模型，模拟了真实花的图案。

该研究发现，即使在电子显微镜下也无法分辨出原基或其他变化的阶段，非洲菊的分生组织已经在分子水平上被构图。但是在生长过程中，分生组织中多个部位的生长素水平同时上升至最大值。这些簇状斑点的数量（称为生长素最大值）随着分生组织直径的增长而迅速增加，并遵循斐波那契数。新的生长素最大值总是在两个相邻的最大值之间形成并移动，因此它总是更靠近相邻的最大值。这就是为什么即使在并非完全对称的分生组织中，螺旋也是规则的。这些发现表明，分生组织的扩展生长是影响花序中小花最终数量的因素。

论文链接：https://www.pnas.org/content/118/13/e2016304118

转自：“iPlants”微信公众号

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