«Наш проект был мотивирован вопросом того, видим ли, несмотря на все разнообразие мы в формах завода, есть некоторая форма или структура, которую они все разделяют», говорит Сэкет Нэвлэха, доцент в Центре Солка Интегральной Биологии и ведущего автора бумаги. «Мы обнаружили, что есть – и, удивительно, изменение в том, как отделения распределены в космосе, может быть описан математически чем-то, вызвал Гауссовскую функцию, которая также известна как кривая нормального распределения».Будучи неподвижными, заводы должны найти, что творческие стратегии наладки их архитектуры обращаются к экологическим проблемам, как то, чтобы быть заштрихованным соседом. Разнообразие в формах завода, от высоких секвой до вползающего тимьяна, является видимым признаком этих стратегий, но Navlakha задался вопросом, был ли некоторый невидимый принцип организации на работе. Чтобы узнать, его команда использовала высокую точность 3D технология просмотра, чтобы измерить архитектуру молодых заводов со временем и определить количество их роста способами, которые могли быть проанализированы математически.
«Это сотрудничество явилось результатом разговора, который Saket и я имели вскоре после его прибытия в Salk», говорит профессор и директор Завода Молекулярная и Клеточная Лаборатория Биологии Джоанн Чори, которая, наряду с тем, чтобы быть Стулом Говарда Х. и Марьям Р. Ньюман в Биологии Завода, является также Говардом Хьюзом Медицинский Следователь и один из соавторов газеты. «Мы смогли финансировать наши исследования благодаря инновационной программе гранта Солка и Говарду Хьюзу Медицинский Институт».Команда начала с трех с точки зрения сельского хозяйства ценных зерновых культур: сорго, помидор и табак. Исследователи вырастили растения от семян при условиях, которые заводы могли бы испытать естественно (оттенок, рассеянный свет, высокий свет, высокая температура и засуха). Каждые несколько дней в течение месяца, первый автор Адам Конн просмотрел каждый завод, чтобы в цифровой форме захватить его рост.
В целом, Конн просмотрел почти 600 заводов.«Мы в основном просмотрели заводы как Вы, просмотрит листок бумаги», говорит Конн, научный сотрудник Salk. «Но в этом случае технология 3D и позволяет нам захватывать заполнять форму – вся архитектура того, как растение растет и распределяет отделения в пространстве».Цифровое представление каждого завода называют облаком пункта, ряд 3D координат в космосе, который может быть проанализирован в вычислительном отношении. С новыми данными команда построила статистическое описание теоретически возможных форм завода, изучив плотность распределения отделения завода.
Плотность распределения отделения изображает вероятность нахождения отделения в любом пункте в космосе, окружающем завод.Эта модель показала три свойства роста: отделимость, самоподобие и Гауссовская плотность распределения отделения. Отделимость означает, что рост в одном пространственном направлении независим от роста в других направлениях. Согласно Navlakha, эта собственность означает, что рост очень простой и модульный, который может позволить заводам быть более эластичными к изменениям в их среде.
Самоподобие означает, что у всех заводов есть та же самая основная форма, даже при том, что некоторые заводы могут быть протянуты немного больше в одном направлении или сжаты в другом направлении. Другими словами, заводы не используют различные статистические правила вырасти в оттенке, чем они делают, чтобы вырасти в ярком свете. Наконец, команда нашла, что, независимо от видов растений или условий роста, данные о плотности отделения следовали за Гауссовским распределением, которое является усеченным на границе завода.
В основном это говорит, что рост отделения является самым плотным около центра завода и становится менее плотным дальше после кривой нормального распределения.Высокий уровень эволюционной эффективности, предложенной этими свойствами, удивителен. Даже при том, что это было бы неэффективно для заводов, чтобы развить различные правила роста для каждого типа состояния окружающей среды, исследователи не ожидали находить, что заводы будут так эффективны, что будут развивать только единственную функциональную форму.
Свойства, которые они определили в этой работе, могут помочь исследователям оценить новые стратегии генетически технических зерновых культур.Предыдущая работа одного из авторов газеты, Чарльза Стивенса, преподавателя в Молекулярной Лаборатории Нейробиологии Солка, нашла те же самые три математических свойства на работе в мозговых нейронах. «Подобие между нейронными деревьями и побегами растения довольно поразительно, и кажется, что должна быть основная причина», говорит Стивенс. «Вероятно, они оба потребность покрыть территорию максимально полностью, но очень редким способом, таким образом, они не вмешиваются друг в друга».Следующая проблема для команды состоит в том, чтобы определить то, что могло бы быть некоторыми механизмами на молекулярном уровне, стимулируя эти изменения.
Нэвлэха добавляет, «Мы видели, отклоняются ли эти принципы в других сельскохозяйственных разновидностях и возможно используют то знание в отборе заводов, чтобы улучшить урожайность».