Tutkijat selvittivät, miksi gerberan kukinnon spiraalit noudattavat Fibonaccin lukusarjaa

31.3.2021
Gerberan useita satoja kukkia sisältävät kukinnot koostuvat kukkaspiraaleista, joiden järjestäytymistä ohjaa kasvihormoni auksiini. Koristekasvina tutun gerberan avulla voidaan perehtyä myös esimerkiksi rehuksi tai ravinnoksi kasvatettavan auringonkukan tai mansikan sadon muodostumiseen.

Kun jotakuta pyydetään piirtämään auringonkukan kukka, lähes kaikki piirtävät ison pyöreän ympyrän ja sen ympärille kehään keltaisia terälehtiä.

– Itse asiassa tuo rakenne on auringonkukan kukinto, mykerö, jossa voi olla jopa satoja kukkia. Reunoilla olevat "terälehdet" ovat rakenteeltaan ja toiminnaltaan erilaisia kukkia kuin keskemmällä olevat, sanoo puutarhatieteen professori Paula Elomaa Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteellisestä tiedekunnasta.

Jättimäisestä kukinnosta on hyötyä, sillä se houkuttelee tehokkaasti pölyttäjiä. Seikkaillessaan kukinnon päällä pölyttäjä pölyttää samalla retkellä satoja yksittäisiä kukkia.

Matematiikka mukana mykerön muodostumisessa

Mykerön kukat eivät ole sikin sokin. Ne ovat järjestäytyneet säännönmukaisiin spiraaleihin, joiden lukumäärä noudattaa matemaattista Fibonacci-lukusarjaa. Fibonacci-luku muodostuu aina sarjan kahden edellisen luvun summasta: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…

Mykerössä oikealle ja vasemmalle kaartuvien spiraalien lukumäärä on aina kaksi perättäistä Fibonacci-lukua. Auringonkukan mykerössä voi olla jopa 89 oikealle kaartuvaa ja 144 vasemmalle kaartuvaa spiraalia, kun taas mykerökukkaisten heimon toisessa paljon tutkitussa kasvissa, gerberassa, spiraaleja on vähemmän, eli 34 ja 55.

Luonnon geometrinen säännönmukaisuus on kiehtonut niin biologeja kuin matemaatikkojakin vuosisatojen ajan.

– Gerberan etu tutkimuskasvina on se, että voimme käyttää kasvihuoneessa kasvatettavia siirtogeenisiä kasveja työkaluina, kun tutkimme yksittäisten geenien tehtäviä esimerkiksi kasvin kehityksen aikana. Auringonkukalla geeninsiirto ei vielä ole rutiinisti käytössä. Gerberan lähes ihmisen genomin kokoinen genomi on parhaillaan sekvensoitavana, ja pitkä kokemuksemme on osoittanut, että gerbera on erinomainen mallikasvi, sanoo Elomaa, joka on ollut mukana suomalaisessa gerberatutkimuksessa sen 1980-luvun lopulla otetuista alkuaskeleista lähtien.

Nyt tutkijat ovat ensimmäistä kertaa päässeet perehtymään molekyylitasolla siihen, miten kukka-aiheet järjestäytyvät spiraaleiksi gerberan kasvupisteessä. Apuna on teknologia, jonka käytöstä kasvitutkimuksessa voitiin vain unelmoida vielä parikymmentä vuotta sitten.

Röntgentomografian avulla tutkijat kuvasivat kolmiulotteisesti kasvupisteen kehitystä sen eri vaiheissa. He kartoittivat pienenpienistä, jopa alle millimetrin kokoisista kasvupisteistä konfokaalimikroskopian avulla, miten kukka-aiheen muodostumispaikan määräävä kasvihormoni auksiini sijoittuu kasvupisteeseen.

Lopulta tutkijat yhdistivät saadun datan matemaattisen mallinnukseen yhteistyössä Calgaryn yliopiston professori Przemyslaw Prusinkiewiczin kanssa. Lopputuloksena on kolmiulotteinen tietokonemalli, joka jäljittelee oikean mykerön järjestäytymistä.

Auksiini määrää tahdin

Tutkijat havaitsivat, että gerberan kasvupiste järjestäytyy molekyylitasolla jo siinä vaiheessa, kun siinä ei elektronimikroskoopillakaan ole havaittavissa kukka-aiheita tai muita muutoksia.

– Kasvun aikana kasvupisteessä muodostuu samanaikaisesti useita kohtia, joissa auksiinin määrä kohoaa huippuunsa. Näiden ryppäinä esiintyvien, auksiinimaksimeiksi kutsuttujen, kohtien määrä lisääntyy nopeasti kasvupisteen halkaisijan kasvaessa ja noudattaa Fibonacci-lukuja. Uusi auksiinimaksimi muodostuu aina kahden naapurimaksimin väliin ja liikkuu niin, että se on aina lähempänä vanhempaa naapuriaan. Tästä johtuu, että vaikka kasvupiste ei olisikaan täysin symmetrinen, spiraalit muodostuvat silti säännönmukaisesti.

Tulokset osoittavat, että kasvupisteen laajuuskasvu on se tekijä, joka vaikuttaa esimerkiksi kukkien lopulliseen määrään mykerössä.

– Vaikutukset näkyvät esimerkiksi siemensadossa, joka on tärkeä erityisesti rehuksi ja ravinnoksi kasvatettavalla auringonkukalla. Voi myös olla, että sama malli selittää yksittäisten kukkien kukkaelinten lukumäärää ja järjestäytymistä. Jatkossa sovellamme tätä tietoa esimerkiksi mansikalla, jolla emien lukumäärä ohjaa muodostuvan hedelmän kokoa, Elomaa sanoo.

Tutkimusryhmä Asteraceae Developmental Biology and Secondary Metabolism

Artikkeli:

Teng Zhang, Mikolaj Cieslak, Andrew Owens, Feng Wang, Suvi K. Broholm, Teemu H. Teeri, Paula Elomaa, Przemyslaw Prusinkiewicz. Phyllotactic patterning of gerbera flower heads. Proceedings of the National Academy of Sciences Mar 2021, 118 (13) e2016304118; DOI: 10.1073/pnas.2016304118

Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Suomen Kulttuurirahasto.

 

Phyllotactic patterning of Gerbera flower heads as published in PNAS 2021.