Para el ojo inexperto, puede parecer que las plantas crecen de forma impulsiva, sacando hojas al azar para crear una gran mezcla verde. Sin embargo, eche un vistazo más de cerca, y encontrará que algunos patrones curiosamente regulares aparecen en todo el mundo natural, desde la simetría equilibrada de los brotes de bambú hasta las fascinantes espirales de las suculentas.
De hecho, estos patrones son lo suficientemente consistentes como para que las matemáticas frías y duras puedan predecir el crecimiento orgánico bastante bien. Una suposición que ha sido central en el estudio de la filotaxis, o los patrones de las hojas, es que las hojas protegen su espacio personal. Basado en la idea de que las hojas ya existentes tienen una influencia inhibitoria sobre las nuevas, emitiendo una señal para evitar que otras crezcan cerca, los científicos han creado modelos que pueden recrear con éxito muchos de los diseños comunes de la naturaleza. La secuencia de Fibonacci siempre fascinante, por ejemplo, aparece en todo, desde arreglos de semillas de girasol hasta cáscaras de nautilus y conos de pino. El consenso actual es que los movimientos de la hormona del crecimiento auxina y las proteínas que la transportan a través de una planta son responsables de tales patrones.
La disposición de las hojas con una hoja por nodo se denomina filotaxis alternativa, mientras que la disposición con dos o más hojas por nodo se denomina filotaxis en espiral. Los tipos alternativos comunes son la filotaxis distica (bambú) y la filotaxis espiral de Fibonacci (el aloe espiral suculento), y los tipos espirales comunes son la filotaxis decusada (albahaca o menta) y la filotaxis tricussada ( Nerium oleander, a veces conocida como dogbane). (Takaaki Yonekura bajo CC-BY-ND) Sin embargo, ciertos arreglos de hojas continúan obstaculizando los modelos populares para el crecimiento de las plantas, incluidas las ecuaciones de Douady y Couder (conocidas como DC1 y DC2) que han dominado desde la década de 1990. Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Tokio que estudiaban un arbusto conocido como Orixa japonica descubrió que las ecuaciones anteriores no podían recrear la estructura inusual de la planta, por lo que decidieron repensar el modelo en sí. Su modelo actualizado, descrito en un nuevo estudio en PLOS Computational Biology, no solo reproduce el patrón una vez evasivo, sino que también puede describir otros arreglos más comunes mejor que las ecuaciones anteriores, dicen los autores.
"En la mayoría de las plantas, los patrones filotácticos tienen simetría: simetría espiral o simetría radial", dice el fisiólogo de plantas de la Universidad de Tokio, Munetaka Sugiyama, autor principal del nuevo estudio. “Pero en esta planta especial, Orixa japonica, el patrón filotactico no es simétrico, lo cual es muy interesante. Hace más de 10 años, se me ocurrió la idea de que algunos cambios en el poder inhibitorio de cada primordio de la hoja pueden explicar este patrón peculiar ".
Los botánicos usan los ángulos de divergencia, o ángulos entre hojas consecutivas, para definir la filotaxis de una planta. Si bien la mayoría de los patrones de disposición de las hojas mantienen un ángulo de divergencia constante, el arbusto O. japonica, que es nativo de Japón y otras partes del este de Asia, crece las hojas en una serie alterna de cuatro ángulos repetidos: 180 grados, 90 grados, 180 grados nuevamente, entonces 270 grados.
Un arbusto de Orixa japonica con los diversos ángulos de divergencia de las hojas visibles. (Qwert1234 a través de Wikicommons bajo CC BY-SA 4.0) Este patrón, que los investigadores denominaron filotaxis "orixate", no es solo una anomalía, ya que las plantas de otros taxones (como la flor de "póker al rojo vivo" Kniphofia uvaria, o el crepe myrtle Lagerstroemia indica ) alternan sus hojas en el mismo secuencia complicada Debido a que la disposición de las hojas aparece en diferentes puntos en el árbol evolutivo, los autores concluyeron que la similitud proviene de un mecanismo común que justificó un mayor estudio.
Después de probar las ecuaciones de Douady y Couder con diferentes parámetros, los autores pudieron producir patrones que estaban cerca de la disposición alterna del orixato, pero ninguna de las plantas simuladas coincidía perfectamente con las muestras de O. japonica que diseccionaron y estudiaron. Entonces, el equipo construyó un nuevo modelo al agregar otra variable a las ecuaciones de Douady y Couder: la edad de la hoja. Los modelos anteriores asumieron que el poder inhibitorio de las hojas se mantuvo igual con el tiempo, pero esta constante "no era natural desde el punto de vista de la biología", dice Sugiyama. En cambio, el equipo de Sugiyama permitió la posibilidad de que la fuerza de estas señales de "alejamiento" cambiara con el tiempo.
Los modelos resultantes, a los que el equipo se refiere como modelos expandidos de Douady y Couder, EDC1 y EDC2, lograron recrear, a través del crecimiento computarizado, los intrincados arreglos de hojas de O. japonica . Más allá de esta hazaña, las ecuaciones expandidas también produjeron todos los otros patrones de follaje comunes y predijeron las frecuencias naturales de estas variedades con mayor precisión que los modelos anteriores. Especialmente en el caso de las plantas con diseño en espiral, el nuevo modelo EDC2 predijo el "superdominio" de la espiral de Fibonacci en comparación con otros arreglos, mientras que los modelos anteriores no pudieron explicar por qué esta forma particular parece aparecer en todas partes en la naturaleza.
“Nuestro modelo, EDC2, puede generar patrones de orixate además de todos los tipos principales de filotaxis. Esto es claramente una ventaja sobre el modelo anterior ”, dice Sugiyama. "EDC2 también se adapta mejor a la ocurrencia natural de varios patrones".
Hojas en una rama de Orixa japonica (arriba a la izquierda) y un diagrama esquemático de filotaxis de orixato (a la derecha). El patrón de orixato muestra un cambio peculiar de cuatro ciclos del ángulo entre las hojas. Una imagen de microscopio electrónico de barrido (centro e inferior izquierda) muestra el brote invernal de O. japonica, donde las hojas comienzan a crecer. Las hojas primordiales se etiquetan secuencialmente con la hoja más antigua como P8 y la hoja más joven como P1. La etiqueta O marca el vértice del brote. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama bajo CC-BY) Los autores aún no pueden concluir qué causa exactamente que la edad de las hojas afecte estos patrones de crecimiento, aunque Sugiyama especula que podría tener que ver con cambios en el sistema de transporte de auxina en el transcurso del desarrollo de una planta.
Dichos misterios podrían resolverse mediante el "empuje y atracción" entre los modelos computacionales y los experimentos de laboratorio, dice Ciera Martínez, una bióloga computacional que no participó en el estudio. El modelo de los autores proporciona un paso emocionante hacia una mejor comprensión de la filotaxis y deja espacio para que otros botánicos llenen los vacíos con la disección y el análisis de las plantas.
"Con los modelos, aunque aún no conozcamos el mecanismo exacto, al menos se nos dan pistas poderosas sobre qué buscar", dice Martínez en un correo electrónico. "Ahora solo tenemos que mirar más de cerca los mecanismos moleculares en plantas reales para tratar de descubrir lo que predice el modelo".
Una vista de arriba hacia abajo de los patrones de disposición de las hojas en la filotaxis "orixate" a medida que se forman nuevas hojas (semicírculos rojos) desde el ápice del brote (círculo negro central) y crecen hacia afuera (Takaaki Yonekura bajo CC-BY-ND) El equipo de Sugiyama está trabajando para refinar aún más su modelo y lograr que genere todos los patrones filotacticos conocidos. Un patrón de hoja "misterioso", una espiral con un pequeño ángulo de divergencia, aún evade la predicción computacional, aunque Sugiyama cree que están cerca de descifrar el código frondoso.
"No creemos que nuestro estudio sea prácticamente útil para la sociedad", dice Sugiyama. "Pero esperamos que contribuya a nuestra comprensión de la belleza simétrica en la naturaleza".
