Bagi mata yang tidak terlatih, tanaman mungkin tampak tumbuh agak impulsif, muncul daun secara acak untuk membuat satu campuran hijau besar. Namun, perhatikan lebih dekat, dan Anda akan menemukan bahwa beberapa pola reguler yang aneh muncul di seluruh dunia, dari simetri rebung yang seimbang hingga spiral lezat succulents.
Faktanya, pola-pola ini cukup konsisten sehingga matematika yang dingin dan keras dapat memprediksi pertumbuhan organik dengan cukup baik. Salah satu asumsi yang telah menjadi pusat studi phyllotaxis, atau pola daun, adalah bahwa daun melindungi ruang pribadi mereka. Berdasarkan gagasan bahwa daun yang sudah ada memiliki pengaruh penghambatan pada yang baru, memberikan sinyal untuk mencegah orang lain tumbuh di dekatnya, para ilmuwan telah menciptakan model yang dapat berhasil menciptakan banyak desain umum alam. Urutan Fibonacci yang selalu menarik, misalnya, muncul dalam segala hal mulai dari pengaturan biji bunga matahari hingga cangkang nautilus hingga kerucut pinus. Konsensus saat ini adalah bahwa pergerakan hormon pertumbuhan auksin dan protein yang mengangkutnya ke seluruh tanaman bertanggung jawab atas pola tersebut.
Susunan daun dengan satu daun per simpul disebut phyllotaxis alternatif, sedangkan susunan dengan dua atau lebih daun per simpul disebut phyllotaxis lingkaran. Jenis alternatif yang umum adalah phyllotaxis distichous (bambu) dan Fibonacci spiral phyllotaxis (succulent spiral gaharu), dan jenis-jenis whorled yang umum adalah decylate phyllotaxis (kemangi atau mint) dan phyllotaxis trikusat ( Nerium oleander, kadang-kadang dikenal sebagai dogbane). (Takaaki Yonekura di bawah CC-BY-ND) Namun, pengaturan daun tertentu terus menghambat model populer untuk pertumbuhan tanaman, termasuk persamaan Douady dan Couder (dikenal sebagai DC1 dan DC2) yang telah mendominasi sejak 1990-an. Sebuah tim yang dipimpin oleh peneliti Universitas Tokyo mempelajari semak yang dikenal sebagai Orixa japonica menemukan bahwa persamaan sebelumnya tidak dapat menciptakan kembali struktur pabrik yang tidak biasa, sehingga mereka memutuskan untuk memikirkan kembali model itu sendiri. Model mereka yang diperbarui, yang dijelaskan dalam sebuah studi baru dalam PLOS Computational Biology, tidak hanya mereproduksi pola yang dulu sulit dipahami, tetapi juga dapat menggambarkan pengaturan lain yang lebih umum, lebih baik daripada persamaan sebelumnya, kata para penulis.
"Di sebagian besar tanaman, pola phyllotactic memiliki simetri — simetri spiral atau simetri radial, " kata ahli fisiologi tanaman University of Tokyo Munetaka Sugiyama, penulis senior studi baru ini. “Tetapi di pabrik khusus ini, Orixa japonica, pola phyllotactic tidak simetris, yang sangat menarik. Lebih dari 10 tahun yang lalu, sebuah ide datang kepada saya bahwa beberapa perubahan dalam daya hambat setiap primordium daun dapat menjelaskan pola aneh ini. ”
Ahli botani menggunakan sudut divergensi, atau sudut antara daun berturut-turut, untuk menentukan phyllotaxis tanaman. Sementara sebagian besar pola pengaturan daun mempertahankan sudut divergensi konstan, semak O. japonica, yang merupakan tanaman asli Jepang dan bagian lain di Asia Timur, menumbuhkan daun dalam serangkaian bolak-balik dari empat sudut berulang: 180 derajat, 90 derajat, 180 derajat lagi, kemudian 270 derajat.
Orixa japonica semak dengan berbagai sudut pandang daun yang terlihat. (Qwert1234 via Wikicommons di bawah CC BY-SA 4.0) Pola ini, yang oleh para peneliti dijuluki "orixate" phyllotaxis, bukan hanya anomali sekali pakai, seperti tanaman dari taksa lain (seperti bunga "poker merah-panas" Kniphofia uvaria, atau crep myrtle Lagerstroemia indica ) bergantian daun mereka di tempat yang sama. urutan yang rumit. Karena susunan daun muncul di tempat yang berbeda pada pohon evolusi, penulis menyimpulkan kesamaan berasal dari mekanisme umum yang memerlukan penelitian lebih lanjut.
Setelah menguji persamaan Douady dan Couder dengan parameter yang berbeda, penulis dapat menghasilkan pola yang dekat dengan pengaturan orixate bolak-balik, tetapi tidak ada tanaman simulasi yang cocok dengan sampel O. japonica yang mereka potong dan pelajari. Jadi tim membangun model baru dengan menambahkan variabel lain ke persamaan Douady dan Couder: usia daun. Mantan model berasumsi daya hambat daun tetap sama dari waktu ke waktu, tetapi konstanta ini "tidak alami dari sudut pandang biologi, " kata Sugiyama. Alih-alih, tim Sugiyama memungkinkan kemungkinan bahwa kekuatan sinyal "menjauh" ini berubah seiring waktu.
Model yang dihasilkan — yang disebut tim sebagai model Douady dan Couder yang diperluas, EDC1 dan EDC2 — berhasil menciptakan, melalui pertumbuhan yang terkomputerisasi, pengaturan daun yang rumit dari O. japonica . Di luar prestasi ini, persamaan yang diperluas juga menghasilkan semua pola dedaunan umum lainnya dan memperkirakan frekuensi alami varietas ini lebih akurat daripada model sebelumnya. Terutama dalam kasus tanaman berpola spiral, model EDC2 baru meramalkan "super-dominasi" dari spiral Fibonacci dibandingkan dengan pengaturan lainnya, sementara model sebelumnya gagal menjelaskan mengapa bentuk khusus ini tampaknya muncul di mana-mana di alam.
“Model kami, EDC2, dapat menghasilkan pola orixate selain semua jenis phyllotaxis utama. Ini jelas merupakan keunggulan dibandingkan model sebelumnya, ”kata Sugiyama. "EDC2 juga lebih cocok dengan kemunculan alami berbagai pola."
Daun pada cabang Orixa japonica (kiri atas) dan diagram skematik orixate phyllotaxis (kanan). Pola orixate menampilkan empat siklus perubahan sudut antara daun. Gambar mikroskop elektron pemindaian (kiri tengah dan bawah) menunjukkan tunas musim dingin O. japonica, tempat daun pertama mulai tumbuh. Daun primordial diberi label secara berurutan dengan daun tertua sebagai P8 dan daun termuda sebagai P1. Label O menandai puncak pemotretan. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama di bawah CC-BY) Para penulis belum dapat menyimpulkan apa yang sebenarnya menyebabkan usia daun mempengaruhi pola pertumbuhan ini, meskipun Sugiyama berspekulasi bahwa itu mungkin ada hubungannya dengan perubahan pada sistem transportasi auksin selama pengembangan tanaman.
Misteri seperti itu dapat dipecahkan dengan "push and pull" antara model komputasi dan percobaan laboratorium, kata Ciera Martinez, seorang ahli biologi komputasi yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Model penulis memberikan langkah menarik menuju pemahaman yang lebih baik tentang phyllotaxis dan menyisakan ruang bagi ahli botani lain untuk mengisi kekosongan dengan diseksi dan analisis tanaman.
"Dengan model, meskipun kami mungkin belum tahu mekanisme pastinya, kami setidaknya diberi petunjuk kuat tentang apa yang harus dicari, " kata Martinez dalam email. "Sekarang kita harus melihat lebih dekat pada mekanisme molekuler pada tanaman nyata untuk mencoba dan menemukan apa yang diprediksi oleh model."
Pandangan top-down dari pola pengaturan daun di phyllotaxis "orixate" sebagai daun baru (setengah lingkaran merah) terbentuk dari pucuk pucuk (lingkaran hitam tengah) dan tumbuh ke arah luar (Takaaki Yonekura di bawah CC-BY-ND) Tim Sugiyama bekerja untuk memperbaiki model mereka lebih jauh dan membuatnya untuk menghasilkan semua pola phyllotactic yang dikenal. Satu pola daun "misterius", spiral dengan sudut divergensi kecil, masih menghindari prediksi komputasi, meskipun Sugiyama berpikir mereka hampir memecahkan kode daun.
“Kami tidak berpikir studi kami praktis berguna bagi masyarakat, ” kata Sugiyama. "Tapi kami berharap itu akan berkontribusi pada pemahaman kita tentang keindahan simetris di alam."
