植物はどのようにして人間の脳のように成長するのか

植物はどのようにして人間の脳のように成長するのか

3D スキャンにより、シュートとニューロンの両方で同様の統計法則が働いていることが明らかになりました

ラホーヤ—植物と脳は思っている以上に似ている。ソークの科学者らは、植物の成長方法を支配する数学的規則が脳細胞の接続の芽生え方と似ていることを発見した。 に掲載された新作は、 現在の生物学 6 年 2017 月 3 日の植物の XNUMXD レーザー スキャンのデータに基づいて、多くの生物学的システムにわたる分岐成長を制御する普遍的な論理規則が存在する可能性があることを示唆しています。

「私たちのプロジェクトは、植物の形態にさまざまな多様性があるにもかかわらず、それらすべてに共通する何らかの形態や構造があるのではないかという疑問によって動機づけられました。」と彼は言います。 サケット・ナブラハ、ソーク統合生物学センターの助教授であり、論文の上級著者。 「私たちは、枝が空間にどのように分布するかという変化が存在することを発見しました。そして驚くべきことに、鐘曲線としても知られるガウス関数と呼ばれるものによって数学的に説明できるのです。」

植物は動かないので、隣の植物の日陰になるなど、環境上の課題に対処するためにその構造を調整するための創造的な戦略を見つける必要があります。 そびえ立つセコイアから忍び寄るタイムまで、植物の形態の多様性はこれらの戦略の目に見える兆候ですが、目に見えない組織化の原理が働いているのではないかとナブラハ氏は疑問に思いました。 それを解明するために、彼のチームは高精度 3D スキャン技術を使用して若い植物の構造を長期にわたって測定し、数学的に分析できる方法でその成長を定量化しました。

「このコラボレーションは、サケットがソークに到着した直後の会話から生まれました」と植物分子細胞生物学研究所の所長兼教授は語る。 ジョアン・チョリー博士は、植物生物学分野のハワード・H・ニューマンおよびマリアム・R・ニューマン教授であるとともに、ハワード・ヒューズの医学研究者であり、この論文の共著者の一人でもあります。 「私たちはソークのイノベーション助成プログラムと ハワードヒューズメディカルインスティチュートに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

チームは、農業的に価値のある 600 つの作物、ソルガム、トマト、タバコから始めました。 研究者らは、植物が自然に経験するであろう条件（日陰、周囲光、強い光、高温、干ばつ）下で種子から植物を育てた。 筆頭著者のアダム・コン氏は、XNUMX か月間数日ごとに各植物をスキャンして、その成長をデジタル的に記録しました。 コン氏は合計で約 XNUMX の植物をスキャンしました。

「私たちは基本的に、紙をスキャンするのと同じように植物をスキャンしました」とソークの研究助手であるコンは言います。 「しかし、この場合、テクノロジーは 3D であり、完全な形態、つまり植物がどのように成長し、空間に枝を分配するかの完全な構造を捉えることができます。」

各植物のデジタル表現は点群と呼ばれ、コンピューターで分析できる空間内の 3D 座標のセットです。 新しいデータを使用して、チームは植物の枝密度関数を研究することにより、理論的に可能な植物の形状の統計的記述を構築しました。 枝密度関数は、植物の周囲の空間内の任意の点で枝が見つかる可能性を表します。

このモデルは、分離性、自己相似性、ガウス分岐密度関数という成長の XNUMX つの特性を明らかにしました。 分離可能性とは、ある空間方向の成長が他の方向の成長から独立していることを意味します。 ナブラハ氏によると、この特性は成長が非常にシンプルかつモジュール式であることを意味しており、そのため植物は環境の変化に対してより回復力が高まる可能性があるという。 自己相似とは、一部の植物が一方向にもう少し伸びたり、別の方向に縮んだりしても、すべての植物が基本的な形状が同じであることを意味します。 言い換えれば、植物は日陰で生育する場合と明るい光で生育する場合とは異なる統計規則を使用しません。 最後に、研究チームは、植物の種類や成長条件に関係なく、枝密度データは植物の境界で切り取られたガウス分布に従っていることを発見しました。 基本的に、これは、枝の成長は植物の中心付近で最も密であり、ベルカーブに従って外側に行くほど密度が低くなることを示しています。

これらの特性によって示唆される進化効率の高さは驚くべきものです。 植物があらゆる種類の環境条件に対して異なる成長規則を進化させるのは非効率的であっても、研究者らは植物が単一の機能形態のみを開発するほど効率的であることを発見すると予想していませんでした。 この研究で彼らが特定した特性は、研究者が遺伝子組み換え作物の新しい戦略を評価するのに役立つ可能性がある。

以前の作品 論文の著者の一人によって、 チャールズ・スティーブンスソーク分子神経生物学研究所の教授である彼は、同じ XNUMX つの数学的性質が脳ニューロンで働いていることを発見しました。 「神経幹と植物の新芽の類似性は非常に顕著であり、根本的な理由があるに違いないと思われます」とスティーブンス氏は言う。 「おそらく、両者は可能な限り完全に領域をカバーする必要がありますが、お互いに干渉しないように非常にまばらな方法でカバーする必要があります。」

チームの次の課題は、これらの変化を引き起こす分子レベルのメカニズムの一部を特定することです。 ナブラカ氏は、「これらの原則が他の農作物でも逸脱するかどうかを確認でき、その知識を植物の選択に利用して作物の収量を向上させることができるかもしれません。」と付け加えました。

他の著者には、 コールドスプリングハーバーラボラトリー。 この研究は、ハワード・ヒューズ医学研究所 (HHMI)、 国立衛生研究所 National Science Foundation そしてソークイノベーション助成金。