Comment les plantes poussent comme des cerveaux humains – ScienceDaily

Les plantes et les cerveaux sont plus semblables à ceux que vous pourriez penser: les scientifiques de Salk ont ​​découvert que les règles mathématiques régissant la croissance des plantes sont similaires à la façon dont les cellules du cerveau germent les connexions. Le nouveau travail, publié dans Current Biology le 6 juillet 2017, et basé sur les données du balayage laser 3D des plantes, suggère qu'il peut y avoir des règles universelles de logique régissant la croissance de ramification dans de nombreux systèmes biologiques.

"Notre projet a été motivé par la question de savoir si, malgré toute la diversité que nous voyons dans les formes végétales, il existe une forme ou une structure qu'ils partagent tous", déclare Saket Navlakha, professeur adjoint au Centre Salk pour la biologie intégrative et l'auteur principal Du document. "Nous avons découvert qu'il existe – et, de façon surprenante, la variation dans la répartition des branches dans l'espace peut être décrite mathématiquement par quelque chose appelé fonction gaussienne, qui est également appelée courbe de cloche."

Étant immobiles, les plantes doivent trouver des stratégies créatives pour ajuster leur architecture pour relever les défis environnementaux, comme l'ombre d'un voisin. La diversité des formes végétales, des séquoias à la raideur du thym, est un signe visible de ces stratégies, mais Navlakha s'est demandé s'il existait un principe d'organisation invisible au travail. Pour savoir, son équipe a utilisé une technologie de numérisation 3D de haute précision pour mesurer l'architecture des jeunes plantes au fil du temps et quantifier leur croissance de manière à pouvoir être analysée mathématiquement.

"Cette collaboration est née d'une conversation que Saket et moi-même avions peu après son arrivée à Salk", explique le professeur et directeur du Laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire Joanne Chory, qui, avec Howard H. et Maryam R Newman Chair in Plant Biology, est également un enquêteur médical Howard Hughes et l'un des coauteurs de l'article. «Nous avons pu financer nos études grâce au programme de bourses d'innovation de Salk et à l'Institut médical Howard Hughes.»

L'équipe a commencé avec trois cultures agricoles: le sorgho, la tomate et le tabac. Les chercheurs ont développé les plantes à partir de graines dans des conditions que les plantes peuvent ressentir naturellement (nuance, lumière ambiante, lumière élevée, chaleur élevée et sécheresse). Tous les quelques jours pendant un mois, le premier auteur Adam Conn a balayé chaque plante pour capturer numériquement sa croissance. Au total, Conn a scanné près de 600 plantes.

"Nous avons essentiellement scanné les plantes comme si vous numéris un morceau de papier", explique Conn, un assistant de recherche de Salk. "Mais dans ce cas, la technologie est en 3D et nous permet de capturer une forme complète – l'architecture complète de la façon dont la plante pousse et distribue des branches dans l'espace".

La représentation numérique de chaque plante est appelée un nuage de points, un ensemble de coordonnées 3D dans l'espace qui peut être analysé de façon computationnelle. Avec les nouvelles données, l'équipe a construit une description statistique des formes de plantes théoriquement possibles en étudiant la fonction de densité de branche de la plante. La fonction de densité de branchement représente la probabilité de trouver une branche à n'importe quel point de l'espace entourant une plante.

Ce modèle a révélé trois propriétés de croissance: la séparabilité, l'auto-similitude et une fonction de densité de dérivation gaussienne. La séparabilité signifie que la croissance dans une direction spatiale est indépendante de la croissance dans d'autres directions. Selon Navlakha, cette propriété signifie que la croissance est très simple et modulaire, ce qui peut permettre aux plantes d'être plus résistantes aux changements dans leur environnement. L'auto-similitude signifie que toutes les plantes ont la même forme sous-jacente, bien que certaines plantes puissent être étirées un peu plus dans une direction ou serrées dans une autre direction. En d'autres termes, les plantes n'utilisent pas de règles statistiques différentes pour se développer à l'ombre qu'elles ne le font pour se développer en lumière vive. Enfin, l'équipe a constaté que, indépendamment des espèces de plantes ou des conditions de croissance, les données de densité de branche suivaient une distribution gaussienne tronquée à la limite de la plante. Fondamentalement, cela indique que la croissance de la branche est plus dense près du centre de la plante et devient moins dense plus loin en suivant une courbe de cloche.

Le haut niveau d'efficacité évolutive suggéré par ces propriétés est surprenant. Même s'il serait inefficace pour les plantes d'élaborer différentes règles de croissance pour chaque type de condition environnementale, les chercheurs ne s'attendaient pas à ce que les plantes soient si efficaces qu'elles ne développent qu'une seule forme fonctionnelle. Les propriétés qu'ils ont identifiées dans ce travail peuvent aider les chercheurs à évaluer de nouvelles stratégies pour les cultures d'ingénierie génétique.

Les travaux antérieurs d'un des auteurs du papier, Charles Stevens, professeur au Laboratoire de neurobiologie moléculaire de Salk, ont trouvé les mêmes trois propriétés mathématiques au travail dans les neurones du cerveau. "La similitude entre les tiges neuronales et les pousses végétales est assez frappante, et il semble qu'il doit y avoir une raison sous-jacente", explique Stevens. "Probablement, ils doivent tous deux couvrir un territoire aussi complètement que possible, mais d'une manière très éparse afin qu'ils ne s'interfèrent pas."

Le prochain défi pour l'équipe est d'identifier ce qui pourrait être un des mécanismes au niveau moléculaire conduisant ces changements. Navlakha ajoute: «Nous pourrions voir si ces principes s'écartent dans d'autres espèces agricoles et utilisent peut-être ces connaissances pour choisir des plantes pour améliorer les rendements des cultures.»

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