ให้ความรู้เกี่ยวกับพืช

Saket Navlakha ผู้ช่วยศาสตราจารย์จาก Salk's Center for Integrative Biology และผู้เขียนอาวุโสของรายงานกล่าวว่า "โครงการของเราได้รับแรงบันดาลใจจากคำถามที่ว่า แม้ว่าเราจะเห็นพืชในรูปแบบต่างๆ ที่หลากหลาย แต่ก็มีรูปแบบหรือโครงสร้างบางอย่างเหมือนกัน" . "เราค้นพบว่ามี -- และที่น่าประหลาดใจคือ ความแปรผันของการกระจายกิ่งก้านสาขาในอวกาศสามารถอธิบายได้ทางคณิตศาสตร์โดยสิ่งที่เรียกว่าฟังก์ชันเกาส์เซียน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเส้นโค้งระฆัง" เนื่องจากไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ พืชจึงต้องหากลยุทธ์ที่สร้างสรรค์ในการปรับสถาปัตยกรรมเพื่อรับมือกับความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การให้ร่มเงาจากเพื่อนบ้าน ความหลากหลายในรูปแบบพืช ตั้งแต่ไม้แดงสูงตระหง่านไปจนถึงโหระพาที่กำลังคืบคลาน เป็นสัญญาณที่มองเห็นได้ของกลยุทธ์เหล่านี้ แต่ Navlakha สงสัยว่ามีหลักการจัดระเบียบที่มองไม่เห็นในที่ทำงานหรือไม่ เพื่อหาคำตอบ ทีมของเขาใช้เทคโนโลยีการสแกน 3 มิติที่มีความแม่นยำสูงเพื่อวัดสถาปัตยกรรมของต้นไม้เล็กเมื่อเวลาผ่านไป และวัดการเติบโตของพวกมันด้วยวิธีที่สามารถวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ได้ "การทำงานร่วมกันนี้เกิดขึ้นจากการสนทนาระหว่าง Saket กับฉันหลังจากที่เขามาถึง Salk ได้ไม่นาน" ศาสตราจารย์และผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการชีววิทยาระดับโมเลกุลและเซลล์ของพืช Joanne Chory ซึ่งเป็นประธานของ Howard H. และ Maryam R. Newman กล่าว ในสาขาชีววิทยาพืช ยังเป็น Howard Hughes Medical Investigator และเป็นหนึ่งในผู้เขียนร่วมของหนังสือพิมพ์อีกด้วย "เราสามารถให้ทุนสนับสนุนการศึกษาของเราได้ด้วยโปรแกรมการให้ทุนด้านนวัตกรรมของ Salk และสถาบันการแพทย์ Howard Hughes" ทีมงานเริ่มต้นด้วยพืชที่มีคุณค่าทางการเกษตร 3 ชนิด ได้แก่ ข้าวฟ่าง มะเขือเทศ และใบยาสูบ นักวิจัยปลูกพืชจากเมล็ดภายใต้สภาวะที่พืชอาจพบได้ตามธรรมชาติ (ร่มเงา แสงโดยรอบ แสงจ้า ความร้อนสูง และความแห้งแล้ง) ทุก ๆ สองสามวันเป็นเวลาหนึ่งเดือน Adam Conn ผู้เขียนคนแรกจะสแกนพืชแต่ละต้นเพื่อบันทึกการเติบโตแบบดิจิทัล โดยรวมแล้ว Conn ได้สแกนพืชเกือบ 600 ต้น Conn ผู้ช่วยวิจัยของ Salk กล่าวว่า "โดยพื้นฐานแล้วเราจะสแกน พืช เหมือนกับที่คุณสแกนกระดาษ "แต่ในกรณีนี้ เทคโนโลยีเป็นแบบ 3 มิติ และช่วยให้เราสามารถบันทึกรูปแบบที่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมเต็มรูปแบบของวิธีการที่โรงงานเติบโตและกระจายกิ่งก้านสาขาในอวกาศ" การแสดงดิจิทัลของโรงงานแต่ละแห่งเรียกว่า point cloud ซึ่งเป็นชุดของพิกัด 3 มิติในอวกาศที่สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยคอมพิวเตอร์ ด้วยข้อมูลใหม่ ทีมงานได้สร้างคำอธิบายทางสถิติเกี่ยวกับรูปร่างของพืชที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี โดยศึกษาฟังก์ชันความหนาแน่นของกิ่งก้านของต้นไม้ ฟังก์ชันความหนาแน่นของกิ่งแสดงถึงความเป็นไปได้ในการค้นหากิ่งที่จุดใดๆ ในพื้นที่รอบๆ ต้นไม้ แบบจำลองนี้เปิดเผยคุณสมบัติสามประการของการเติบโต ได้แก่ ความสามารถในการแยกตัว ความคล้ายคลึงกันในตัวเอง และฟังก์ชันความหนาแน่นของสาขาแบบเกาส์เซียน ความสามารถในการแยกออกหมายความว่าการเติบโตในทิศทางเชิงพื้นที่หนึ่งไม่ขึ้นกับการเติบโตในทิศทางอื่นๆ จากข้อมูลของ Navlakha คุณสมบัตินี้หมายความว่าการเจริญเติบโตนั้นง่ายมากและเป็นโมดูล ซึ่งอาจทำให้พืชมีความยืดหยุ่นมากขึ้นต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อม ความคล้ายคลึงกันหมายความว่าต้นไม้ทั้งหมดมีรูปร่างพื้นฐานเหมือนกันแม้ว่าต้นไม้บางชนิดอาจยืดออกไปอีกเล็กน้อยในทิศทางเดียวหรือบีบไปในทิศทางอื่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ต้นไม้ไม่ได้ใช้กฎทางสถิติที่แตกต่างกันในการเติบโตในที่ร่ม มากกว่าที่จะเติบโตในที่มีแสงจ้า ท้ายที่สุด ทีมงานพบว่า ไม่ว่าพืชชนิดใดหรือสภาพการเจริญเติบโตจะเป็นอย่างไร ข้อมูลความหนาแน่นของสาขาจะเป็นไปตามการกระจายแบบเกาส์เซียนที่ถูกตัดทอนที่ขอบเขตของพืช ประสิทธิภาพการวิวัฒนาการในระดับสูงที่แนะนำโดยคุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งที่น่าประหลาดใจ แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพสำหรับพืชในการพัฒนากฎการเจริญเติบโตที่แตกต่างกันสำหรับสภาพแวดล้อมทุกประเภท นักวิจัยไม่คาดคิดว่าจะพบว่าพืชจะมีประสิทธิภาพมากเท่ากับการพัฒนารูปแบบการทำงานเพียงรูปแบบเดียว คุณสมบัติที่ระบุในงานนี้อาจช่วยให้นักวิจัยประเมินกลยุทธ์ใหม่สำหรับพืชพันธุวิศวกรรม ผลงานก่อนหน้านี้ของ Charles Stevens หนึ่งในผู้เขียนบทความ ศาสตราจารย์จาก Salk's Molecular Neurobiology Laboratory พบคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์สามประการที่เหมือนกันในการทำงานของเซลล์ประสาทในสมอง Stevens กล่าวว่า "ความคล้ายคลึงกันระหว่าง neuronal arbor และยอดพืชนั้นค่อนข้างโดดเด่น และดูเหมือนว่าจะต้องมีเหตุผลแฝงอยู่" Stevens กล่าว "เป็นไปได้ว่าพวกเขาทั้งสองจำเป็นต้องครอบคลุมอาณาเขตให้สมบูรณ์ที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ด้วยวิธีที่เบาบางมาก เพื่อไม่ให้รบกวนซึ่งกันและกัน" ความท้าทายต่อไปสำหรับทีมคือการระบุสิ่งที่อาจเป็นกลไกในระดับโมเลกุลที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ Navlakha กล่าวเสริมว่า "เราสามารถเห็นได้ว่าหลักการเหล่านี้เบี่ยงเบนไปในสายพันธุ์เกษตรอื่นๆ หรือไม่ และอาจใช้ความรู้นั้นในการเลือกพืชเพื่อปรับปรุงผลผลิตพืชผล"