植物叶片中的细胞如何自我组织以确保光合作用的最佳区域

植物的叶子需要大的表面积来吸收阳光进行光合作用。图宾根大学植物分子生物学中心的Emanuele Scacchi博士和Marja Timmermans教授，以及一个国际团队，现在已经发现了哪些遗传机制控制叶片生长成能够有效捕捉阳光的扁平结构

一种内置的GPS会通知每个细胞它在生长中的叶子中的相对位置。该顺序对应于著名数学家Alan Turing预测的自组织生物学概念。这项关于叶片生长的研究已发表在《自然植物》杂志上

＜p＞Scacchi说：“当细胞分裂和繁殖时，结果通常是一团细胞。我们想知道，在叶子的情况下，细胞分裂是如何产生一个大的平坦区域的。”。为此，一个数学家和实验生物学家团队合作，使用计算机模型、分子遗传学方法和活体成像技术来跟踪这一过程

＜p＞Scacchi解释道：“这种模式形成的基础是极性，也就是说，在这种情况下，区分顶部和底部的能力。它通常是由一种称为形态发生素的物质的浓度梯度产生的，这种物质一侧低，另一侧高。”

自主方向研究小组发现，“小RNA”在控制叶片生长中起着决定性作用。作为移动信使，它们用于细胞之间的通信，并帮助细胞感知其在结构中的相对位置&mdash；比如GPS。此外，小RNA传递信息，协调哪些基因需要在顶部和底部被激活或抑制，以使叶片具有正确的形状和功能

蒂默曼斯说：“这种调节机制在生长的叶片中自主工作；植物中没有中央控制。”。“我们注意到，我们的研究结果与艾伦·图灵70多年前提出的一个理论相对应。尽管他最出名的是对计算机科学的贡献，但他也处理了自然的奥秘。”

图灵认为，生物细胞中某些分子之间的简单相互作用可以导致复杂图案的形成，比如豹子外套上的斑点或斑马身上的条纹。蒂默曼斯说：“他在形态发生理论中用数学方法描述了这些过程。我们的新研究建立在这一理论的基础上。我们发现了一种由小RNA控制的机制，这与图灵通过自组织形成模式的概念相对应。”

在这种情况下，自组织是指细胞的基因控制行为，它们像一群鸟一样协调一致，形成集体行为，创造出正确的叶片图案和扁平结构。鸟群中的每只鸟都会对邻居的运动做出反应，尽管没有领导者，但集体互动创造了一种连贯、有组织的模式

适应性系统“生长叶片细胞中的小RNA分子启动了一个遗传过程，使细胞能够感知和解释其环境，”Scacchi说。这些基因的活动在细胞之间进行协调，使每片叶子都分为清晰的顶部和底部，形成一块完美平坦的光合作用画布

这种自组织的图灵机制可以使基因活动适应叶片发育过程中的内部和外部干扰，从而使叶片形状均匀，尽管环境发生了剧烈变化

“此外，这个基因系统提供了许多微调的机会。这解释了自然界中观察到的叶片形状的多样性，从攀爬植物的简单卷须到一些食肉植物的复杂猪笼草。但我们的发现不仅重要，因为它为图灵的遗产增添了新的篇章，”蒂默曼斯说

“我们已经解码了小RNA实现自组织遗传过程的基本机制。现在我们可以探索人类如何改变和利用这些生物功能。随着全球对粮食的需求不断增长，我们需要优化的高产作物，这些作物能够抵御全球变暖等压力因素。”