Wie Pflanzenarchitekturen U-Bahn-Netze nachahmen

Wie Pflanzenarchitekturen U-Bahn-Netze nachahmen

Salk-Wissenschaftler nutzen 3D-Laserscanning, um zu verstehen, wie Pflanzen ihr Wachstum optimieren

LA JOLLA – Es mag so aussehen, als hätten eine Tomatenpflanze und ein U-Bahn-System nicht viel gemeinsam, aber es stellt sich heraus, dass es sich bei beiden um Netzwerke handelt, die ähnliche Kompromisse zwischen Kosten und Leistung anstreben.

Anhand von 3D-Laserscans wachsender Pflanzen fanden Salk-Wissenschaftler heraus, dass dieselben universellen Designprinzipien, die Menschen beim Bau von Netzwerken wie U-Bahnen anwenden, auch die Formen der Pflanzenverzweigungsarchitekturen bestimmen. Das Werk, das in der Ausgabe vom 26. Juli 2017 erscheint Zellsysteme, könnte dazu beitragen, Strategien zur Steigerung der Ernteerträge oder zur Züchtung von Pflanzen zu entwickeln, die besser an den Klimawandel angepasst sind.

„Die Idee zu dieser Arbeit begann eigentlich mit einer technischen Frage“, sagt er Saket Navlakha, Assistenzprofessor am Salk Center for Integrative Biology und leitender Autor des Artikels. „Wie lösen Verkehrsnetze wie ein U-Bahn-System oder ein Stromnetz die Spannung zwischen zwei konkurrierenden Zielen, etwa Kosten und Leistung? Und lösen Pflanzen ähnliche konkurrierende Ziele auf die gleiche Weise?“

Ausgereifte Transportnetze, sei es für den Personen- oder Energietransport, müssen die Baukosten mit der Bereitstellung eines effizienten Transports in Einklang bringen. Stellen Sie sich ein U-Bahn-System vor: Wenn das Hauptziel bei der Planung darin besteht, die Menschen so schnell wie möglich aus den Vororten in die Innenstadt zu bringen, wird jeder Vorort über eine eigene direkte Verbindung zur Innenstadt verfügen. Aber der Bau wäre unerschwinglich teuer. Wenn umgekehrt das einzige Ziel darin besteht, die Kosten zu begrenzen, gäbe es nur sehr wenige Warteschlangen und es würde lange dauern, bis einige Fahrgäste die Innenstadt erreichen. Die technische Herausforderung besteht also darin, ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Zielen zu finden. Wenn man diese Analogie auf eine Pflanze ausweitet, ist ihre Basis wie die Innenstadt und ihre Blätter wie die Vororte. Nährstoffe müssen so schnell wie möglich zwischen diesen Bereichen gelangen und gleichzeitig die Kosten für den Anbau fremder Zweige begrenzen.

In der Technik und anderen Bereichen können Kompromisse wie dieser in einem Diagramm als gekrümmte Linie dargestellt werden, die als Pareto-Front bezeichnet wird. Hier stellt ein Ende der Kurve ein sehr erschwingliches System mit geringer Leistung dar, während das andere Ende ein teures System mit hoher Leistung darstellt. Punkte entlang der Kurve stellen unterschiedliche Verhältnisse von Kosten zu Leistung dar. Bei der Anwendung dieses Rahmenwerks auf Pflanzen definierte das Team die Kosten als die Gesamtlänge der Zweige, da die Pflanze Energie und Ressourcen benötigt, um sie wachsen zu lassen. Sie definierten Leistung als die Summe der Entfernungen von der Pflanzenbasis zu jedem Blatt, da diese angibt, wie weit Nährstoffe (Wasser und Zucker) zwischen der Wurzel und den Blättern zurücklegen müssen.

Um zu verstehen, wie Pflanzen den Kompromiss zwischen diesen beiden Zielen bewältigen könnten, begann Navlakhas Team mit drei landwirtschaftlich wertvollen Nutzpflanzen: Sorghum, Tomate und Tabak. Sie züchteten die Pflanzen aus Samen unter Bedingungen, denen die Pflanzen natürlicherweise ausgesetzt wären (Schatten, Umgebungslicht, starkes Licht, große Hitze und Trockenheit). 20 Tage lang scannten sie alle paar Tage jede Pflanze digital, um ihr wachsendes Netzwerk aus Zweigen, Stängeln und Blättern zu erfassen. Insgesamt wurden etwa 500 Scans durchgeführt.

„Pflanzen in drei Dimensionen zu scannen kann ziemlich zeitaufwändig sein“, sagt Adam Conn, ein Salk-Forschungsassistent und Erstautor der Arbeit. „Aber es ist nicht invasiv, und wenn man es einmal gemacht hat, kann man aus den Daten Dinge entdecken, die man durch bloßes Betrachten der Pflanzen nicht herausfinden könnte.“

Aus den digitalen Versionen der Pflanzen extrahierte das Team Koordinaten, die der Basis und den Blättern jeder Pflanze im 3D-Raum entsprechen. Sie verwendeten die Koordinaten, um theoretische Pflanzenformen zu erstellen und grafisch darzustellen, die entweder effiziente Routen für Nährstoffe (Leistung), minimale Zweiglänge (Kosten) oder verschiedene Kompromisse zwischen den beiden Zielen priorisieren.

Überraschenderweise lagen die Pflanzen nahezu perfekt auf der Pareto-Kurve, als sie die echten Pflanzen entsprechend ihrer tatsächlichen Nährstoffwegdistanzen und Gesamtzweiglängen in das Diagramm einordneten, was bedeutet, dass die Zweignetzwerke der Pflanzen das beste Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung finden ihrer besonderen Umgebung.

„Unsere Hypothese war, dass, wenn Gesamtlänge und Reisedistanz wichtige evolutionäre Kriterien für Pflanzen wären, ein evolutionärer Druck bestünde, die Kriterien zusammen zu minimieren, und das ist tatsächlich das, was wir herausgefunden haben“, sagt Ullas Pedmale, der als Postdoktorand an dem Projekt beteiligt war ist jetzt Assistenzprofessor am Cold Spring Harbor Laboratory.

Interessanterweise gruppierten sich die Pflanzen nach Arten, aber innerhalb jeder Art gingen die Pflanzen je nach Wachstumsumgebung unterschiedliche Kompromisse ein. Mit anderen Worten: Alle Tomaten befanden sich im Allgemeinen im gleichen Bereich der Kurve, aber bei Tomaten, die bei starkem Licht angebaut wurden, ergab sich ein anderes Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung als bei Tomaten, die bei schwachem Licht angebaut wurden.

„Das bedeutet, dass die Art und Weise, wie Pflanzen ihre Architekturen entwickeln, auch einen sehr häufigen Kompromiss beim Netzwerkdesign optimiert. Basierend auf der Umgebung und der Art wählt die Pflanze unterschiedliche Wege, um Kompromisse für diese besonderen Umweltbedingungen einzugehen“, sagt Navlakha. „Wenn wir diese Kompromisse verstehen, können wir unsere Pflanzensorten möglicherweise dynamisch an ein sich änderndes Klima anpassen.“

Professor und Direktor des Labors für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie Johanna Chory, der nicht nur Howard H. und Maryam R. Newman-Lehrstuhl für Pflanzenbiologie ist, sondern auch Howard Hughes Medical Investigator und einer der Mitautoren des Papiers ist, fügt hinzu: „Dieses Papier hebt ein neues Prinzip hervor, das das Wachstum und die Anpassung von Pflanzenarchitekturen steuert, und zwar.“ wirft neue Fragen zu den molekularen Mechanismen auf, die die Musterbildung vorantreiben, die wir weiter erforschen werden.“

Die Arbeit wurde gefördert durch die Howard Hughes Medical Institute, der Forschungslabor des Verteidigungsministeriums/Armee und ein Salk Innovation Grant.