Para o olho destreinado, as plantas podem parecer crescer impulsivamente, aparecendo aleatoriamente em folhas para criar uma grande confusão verde. Dê uma olhada mais de perto, e você verá que alguns padrões curiosamente regulares surgem em todo o mundo natural, da simetria equilibrada dos brotos de bambu às espirais hipnotizantes das suculentas.
Na verdade, esses padrões são consistentes o suficiente para que a matemática fria e difícil possa prever o crescimento orgânico razoavelmente bem. Uma suposição que tem sido central no estudo da filotaxia, ou padrões foliares, é que as folhas protegem seu espaço pessoal. Com base na ideia de que as folhas já existentes têm uma influência inibidora sobre as novas, dando um sinal para evitar que outras pessoas cresçam nas proximidades, os cientistas criaram modelos que podem recriar com sucesso muitos dos projetos comuns da natureza. A sempre fascinante seqüência de Fibonacci, por exemplo, aparece em tudo, de arranjos de sementes de girassol a conchas de nautilus a pinhas. O consenso atual é que os movimentos do hormônio do crescimento auxina e as proteínas que o transportam através de uma planta são responsáveis por tais padrões.
O arranjo foliar com uma folha por nó é chamado de filotaxia alternada, enquanto o arranjo com duas ou mais folhas por nó é chamado de filotaxia espiralada. Os tipos alternativos comuns são a filotaxia distópica (bambu) e a filotaxia em espiral de Fibonacci (o aloés em espiral suculenta), e os tipos comuns são filotaxia decussata (manjericão ou menta) e filotaxia tricussa ( Nerium oleander, às vezes conhecida como dogbane). (Takaaki Yonekura sob CC-BY-ND) No entanto, certos arranjos de folhas continuam a impedir modelos populares de crescimento de plantas, incluindo as equações de Douady e Couder (conhecidas como DC1 e DC2) que dominam desde os anos 90. Uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Tóquio estudando um arbusto conhecido como Orixa japonica descobriu que equações anteriores não poderiam recriar a estrutura incomum da planta, então eles decidiram repensar o modelo em si. Seu modelo atualizado, descrito em um novo estudo na revista PLOS Computational Biology, não apenas reproduz o padrão uma vez esquivo, mas também pode descrever outros arranjos mais comuns do que as equações anteriores, dizem os autores.
“Na maioria das plantas, os padrões filotáticos têm simetria - simetria em espiral ou simetria radial”, diz a principal fisiologista da Universidade de Tóquio, Munetaka Sugiyama, autora sênior do novo estudo. “Mas nesta planta especial, Orixa japonica, o padrão filotático não é simétrico, o que é muito interessante. Mais de 10 anos atrás, uma ideia me ocorreu de que algumas mudanças no poder inibitório de cada primórdio foliar podem explicar esse padrão peculiar. ”
Botânicos usam os ângulos de divergência, ou ângulos entre folhas consecutivas, para definir a filotaxia de uma planta. Enquanto a maioria dos arranjos de folhas mantém um ângulo de divergência constante, o O. japonica, que é nativo do Japão e outras partes do leste da Ásia, cresce folhas em uma série alternada de quatro ângulos de repetição: 180 graus, 90 graus, 180 graus novamente, depois 270 graus.
Um arbusto de Orixá japonica com os vários ângulos de divergência das folhas visíveis. (Qwert1234 via Wikicommons sob CC BY-SA 4.0) Esse padrão, que os pesquisadores apelidaram de filotaxia “orixada”, não é apenas uma única anomalia, já que plantas de outros táxons (como a Kniphofia uvaria ou a murta Lagerstroemia indica ) alternam suas folhas na mesma proporção. sequência complicada. Como o arranjo de folhas aparece em diferentes pontos da árvore evolucionária, os autores concluíram que a similaridade veio de um mecanismo comum que justificava mais estudos.
Depois de testar as equações de Douady e Couder com diferentes parâmetros, os autores puderam produzir padrões próximos ao arranjo orixativo alternado, mas nenhuma das plantas simuladas combinou perfeitamente com as amostras de O. japonica que eles dissecaram e estudaram. Então a equipe construiu um novo modelo adicionando outra variável às equações de Douady e Couder: idade da folha. Os ex-modelos presumiram que o poder inibitório das folhas permaneceu o mesmo ao longo do tempo, mas essa constante “não era natural do ponto de vista da biologia”, diz Sugiyama. Em vez disso, a equipe de Sugiyama admitiu a possibilidade de que a força desses sinais de “afastamento” mudasse com o tempo.
Os modelos resultantes - aos quais a equipe se refere como modelos expandidos de Douady e Couder, EDC1 e EDC2 - conseguiram recriar, através do crescimento computadorizado, os intricados arranjos de folhas de O. japonica . Além dessa façanha, as equações expandidas também produziram todos os outros padrões de folhagens comuns e previram as frequências naturais dessas variedades com mais precisão do que os modelos anteriores. Especialmente no caso de plantas com padrões espirais, o novo modelo EDC2 previu a “super-dominância” da espiral de Fibonacci em comparação a outros arranjos, enquanto modelos anteriores não conseguiram explicar por que essa forma particular parece aparecer em todos os lugares na natureza.
“Nosso modelo, o EDC2, pode gerar padrões orixados além de todos os principais tipos de filotaxia. Esta é claramente uma vantagem em relação ao modelo anterior ”, diz Sugiyama. “O EDC2 também se adapta melhor à ocorrência natural de vários padrões.”
Folhas em um ramo de Orixa japonica (superior esquerdo) e um diagrama esquemático de filotaxia de orixato (direita). O padrão orixate exibe uma mudança peculiar de quatro ciclos do ângulo entre as folhas. Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura (centro e parte inferior esquerda) mostra o botão de inverno de O. japonica, onde as folhas começam a crescer. Folhas primordiais são rotuladas sequencialmente com a folha mais antiga como P8 e a mais nova como P1. O rótulo O marca o ápice da parte aérea. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama sob CC-BY) Os autores ainda não podem concluir o que exatamente causa a idade da folha para afetar esses padrões de crescimento, embora Sugiyama especule que pode ter a ver com mudanças no sistema de transporte de auxina ao longo do desenvolvimento de uma planta.
Tais mistérios poderiam ser resolvidos com o “empurrar e puxar” entre modelos computacionais e experimentos de laboratório, diz Ciera Martinez, um biólogo computacional que não esteve envolvido no estudo. O modelo dos autores fornece um passo excitante para uma melhor compreensão da filotaxia e deixa espaço para outros botânicos preencherem as lacunas com a dissecação e análise das plantas.
“Com os modelos, mesmo que não saibamos o mecanismo exato ainda, temos ao menos pistas poderosas sobre o que procurar”, diz Martinez em um e-mail. "Agora só temos que olhar mais de perto os mecanismos moleculares em plantas reais para tentar descobrir o que o modelo prevê."
Uma visão de cima para baixo dos padrões de arranjos foliares na filotaxia de "orixato" como folhas novas (semicírculos vermelhos) formam-se a partir do ápice da parte aérea (círculo preto central) e crescem para fora (Takaaki Yonekura sob CC-BY-ND) A equipe de Sugiyama está trabalhando para refinar ainda mais seu modelo e fazer com que ele gere todos os padrões filotáticos conhecidos. Um padrão de folha "misterioso", uma espiral com um pequeno ângulo de divergência, ainda escapa à previsão computacional, embora Sugiyama ache que eles estão próximos de decifrar o código foliar.
“Não achamos que nosso estudo seja praticamente útil para a sociedade”, diz Sugiyama. “Mas esperamos que isso contribua para nossa compreensão da beleza simétrica na natureza.”
