Может показаться, что растение помидоров и система метро не имеют много общего, но оказывается, что обе сети являются сетями, которые стремятся найти одинаковый компромисс между стоимостью и производительностью.
Используя 3D-лазерное сканирование растущих растений, ученые Солка обнаружили, что те же универсальные принципы проектирования, которые люди используют для проектирования сетей, таких как метро, также определяют формы ветвящихся архитектур растений. Работа, опубликованная в выпуске Cell Systems от 26 июля 2017 года, может помочь разработать стратегию повышения урожайности или вывести растения, более приспособленные к изменению климата.
«Идея этой работы действительно началась с инженерного вопроса», - говорит Сакет Навлаха, доцент Центра интегративной биологии Солка и старший автор статьи. «Как транспортные сети, такие как система метро или электрическая сеть, разрешают противоречие между двумя конкурирующими целями, такими как стоимость и производительность? И одинаково ли предприятия решают схожие конкурирующие цели?»
Спроектированные транспортные сети, будь то для перевозки людей или энергии, должны сбалансировать стоимость строительства с обеспечением эффективного транспорта. Подумайте о системе метро: если главная цель при ее проектировании состоит в том, чтобы как можно быстрее доставить людей из пригорода в центр города, у каждого пригорода будет своя прямая линия, ведущая в центр. Но это было бы непомерно дорого в строительстве. И наоборот, если единственной целью является ограничение затрат, очередей будет очень мало, и некоторым пассажирам потребуется много времени, чтобы добраться до центра города. Таким образом, инженерная задача состоит в том, чтобы найти некоторый баланс между этими двумя задачами. Если распространить эту аналогию на растение, его основание похоже на центр города, а его листья - на пригород. Питательные вещества должны попасть между этими областями как можно быстрее, ограничивая при этом затраты на выращивание посторонних ветвей.
В инженерии и других областях компромиссы, подобные этому, могут быть представлены на графике в виде кривой линии, называемой фронтом Парето. Здесь один конец кривой представляет собой очень доступную систему с низкой производительностью, а другой конец представляет собой дорогую систему с высокой производительностью. Точки на кривой представляют различные соотношения стоимости и производительности. Применяя эту структуру к растениям, команда определила стоимость как общую длину ветвей, поскольку для их выращивания растению требуются энергия и ресурсы. Они определили производительность как сумму расстояний от основания растения до каждого листа, потому что это показывает, как далеко питательные вещества (вода и сахара) должны пройти между корнем и листьями.
Чтобы понять, как растения могут справиться с компромиссом между этими двумя задачами, команда Навлахи начала с трех ценных сельскохозяйственных культур: сорго, помидоров и табака. Они выращивали растения из семян в естественных условиях (тень, окружающий свет, яркое освещение, высокая температура и засуха). Каждые несколько дней в течение 20 дней они сканировали в цифровом виде каждое растение, чтобы запечатлеть его растущую сеть ветвей, стеблей и листьев. Всего было сделано около 500 сканирований.
«Сканирование растений в трех измерениях может занять довольно много времени», - говорит Адам Конн, научный сотрудник Солка и первый автор статьи. «Но это неинвазивно, и как только вы это сделаете, вы сможете узнать из данных то, что вы не смогли бы узнать, просто взглянув на растения».
Из цифровых версий растений команда извлекла координаты, соответствующие основанию и листьям каждого растения в трехмерном пространстве. Они использовали координаты для создания и графического отображения теоретических форм растений, которые определяют приоритеты либо эффективных путей доставки питательных веществ (производительность), либо минимальной длины ветвей (стоимость), либо различных компромиссов между двумя целями.
Удивительно, но когда они поместили реальные растения на график в соответствии с их фактическим расстоянием перемещения питательных веществ и общей длиной ветвей, растения почти идеально легли на кривую Парето, а это означает, что сети ветвей растений находят лучший баланс. между стоимостью и производительностью для конкретной среды.
«Наша гипотеза заключалась в том, что если бы общая длина и расстояние перемещения были важными эволюционными критериями для растений, то эволюционное давление требовало бы свести эти критерии к минимуму, и именно это мы и обнаружили», - говорит Уллас Педмейл, доктор наук. исследователь проекта и в настоящее время является доцентом в лаборатории Колд-Спринг-Харбор.
Интересно, что растения сгруппированы по видам, но внутри каждого вида растения шли на разные компромиссы в зависимости от среды своего роста. Другими словами, все томаты, как правило, находились в одной и той же области кривой, но у томатов, выращенных при ярком освещении, был другой баланс между стоимостью и производительностью, чем у томатов, выращенных при слабом освещении.
«Это означает, что то, как растения создают свою архитектуру, также оптимизирует очень распространенный компромисс при проектировании сети. В зависимости от окружающей среды и видов растения выбирают различные способы компромисса для этих конкретных условий окружающей среды», - говорит Навлаха. «Поняв эти компромиссы, мы сможем динамически адаптировать наши сорта сельскохозяйственных культур к изменяющемуся климату».
Профессор и директор Лаборатории молекулярной и клеточной биологии растений Джоанн Чори, которая наряду с Говардом Х. и Марьям Р. Ньюман заведует кафедрой биологии растений, также является медицинским исследователем Говарда Хьюза и одним из соавторов статьи, добавляет: «В этой статье подчеркивается новый принцип, регулирующий рост и адаптацию архитектуры растений, и поднимаются новые вопросы о молекулярных механизмах, управляющих формированием паттернов, которые мы продолжим исследовать».