不只是“分形黄瓜”：科学家解释了罗马花椰菜的分形结构

您可能还记得幽默视频“俄罗斯赛博乡村”中关于分形黄瓜的表情包。但您知道吗，在自然界中，包括植物在内，实际上存在着大量分形结构？

一个国际研究小组研究了罗马花椰菜的分形结构，并找出了其形成基础的基因。然后，科学家们根据花椰菜中发现的分形基因模式，改变了模式植物拟南芥的基因。结果，这种植物也再现了相似的分形图案，包括螺旋锥形分形。

“罗马花椰菜”或“罗马西兰花”与花椰菜属于同一品种群。但与它的近亲不同的是，每个“罗马花椰菜”的花蕾都由一系列更小的花蕾组成，形成一个对数螺旋和分形图案。“罗马花椰菜”花蕾中的螺旋数量由斐波那契数列描述。将该数列中的任意一个数字除以其前一个数字，就会形成黄金比例。

这种自然分形形成的原因一直是植物学家和数学家们深入研究的对象。早在1898年，德国科学家威廉·霍夫迈斯特就发现，斐波那契螺旋线是叶子排列最有效的方式。随着植物的生长，每一个后续的花蕾或叶子都会以与茎生长速度成比例的速度向外径向移动。第二片叶子会尽可能远离第一片叶子生长，而第三片叶子会与第一片和第二片叶子保持等距生长。这种分布形成的植物网格结构被称为“叶序”。

一个国际科学家小组研究了“罗马花椰菜”的遗传结构，并确定了分形出现的机制。

植物的形成组织（分生组织）由未分化的细胞组成，植物的螺旋状部分由此发展而来。结果表明，对于“罗马花椰菜”来说，分生组织形成了应该开花的花蕾，但实际上却长出了茎。这些茎无叶生长。相反，它们长出芽，然后又从这些芽中长出新的茎。结果形成了茎上重复出现茎的图案。“罗马花椰菜”之所以呈现锥形，是因为最初的茎比其芽和随后的茎生长得更快。研究作者推测，这种机制是该品种驯化过程中出现的。

研究人员的下一步是寻找负责这些过程的基因。特别是，科学家们专注于分生组织的研究。研究结果表明，正是分生组织负责“罗马花椰菜”锥形分形的形成。分生组织最终没有形成花朵，但暂时发育了组织，就像它们应该形成花蕾一样。在某个特定时刻，程序发生变化，花蕾发展成茎。存在于“罗马花椰菜”中的四个基因（用首字母S、A、L和T表示）的突变，在特定时刻分别刺激分生组织和中央茎的生长，从而形成锥形结构。

这一假设在模式植物拟南芥的试验中得到了证实。研究人员根据“罗马花椰菜”中存在的序列改变了植物的关键基因。结果，拟南芥开始呈现出与罗马花椰菜分形相似的锥形。作者指出，为此不需要对植物的遗传学进行重大改变。

研究人员推测，可能存在其他负责开花植物分形性的突变。他们计划在未来的研究中 выяснить это。

来源

• 研究材料发表在《科学》杂志的“花椰菜分形形式源于花基因网络的扰动”一文（DOI: 10.1126/science.abg5999）。
• 作者：叶卡捷琳娜·哈纳诺娃，Habr编辑。文章由Klumba.org编辑补充。