Kembang kol dan kekacauan, fraktal di setiap bunga

Para biksu pernah berharap untuk mengubah timah menjadi emas melalui alkimia. Tapi pertimbangkan kembang kol sebagai gantinya. Hanya dibutuhkan dua gen untuk mengubah batang, batang, dan bunga biasa dari spesies Brassica oleracea yang hambar menjadi komposisi yang indah seperti sayuran fraktal seperti awan ini.

Ini adalah alkimia nyata, kata Christophe Godin, peneliti senior di Institut Nasional untuk Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Digital di Lyon, Prancis.

Dr. Godin mempelajari arsitektur tumbuhan dengan secara hipotetis memodelkan evolusi bentuk spesies yang berbeda dalam tiga dimensi. Dia bertanya-tanya apa modifikasi genetik di balik spiral kembang kol dan fraktal logaritmik Romanesco, kultivar kembang kol yang hampir bisa disalahartikan sebagai kristal.

“Bagaimana alam mampu membangun hal-hal tak terduga seperti itu?” Ditanya. Apa yang bisa menjadi aturan di balik ini?

Lima belas tahun yang lalu, Dr. Godin bertemu François Barsi, seorang ahli biologi tanaman di Pusat Nasional untuk Penelitian Ilmiah di Grenoble, Prancis. Di Dr. Parsi, Dr. Godin mengenal rekan jahat dari Fractal Flowers.

“Tidak mungkin Anda tidak menyadari bahwa ini adalah sayuran yang luar biasa,” kata Dr. Barsi, mengacu pada Romanesco.

Berkat hasrat Brassica, Dr. Godin dan Dr. Parsi telah menyelidiki misteri genetik geometri fraktal di Romanesco dan kembang kol standar, membangkitkan tanaman dalam model matematika dan juga mengolahnya dalam kehidupan nyata. Temuan mereka, yang menunjukkan bentuk fraktal sebagai respons terhadap pergeseran jaringan gen yang mengatur pertumbuhan bunga, diterbitkan Kamis di Ilmu.

“Ini adalah penggabungan genetika yang menarik di satu sisi dan pemodelan yang ketat di sisi lain,” kata Michael Boruganan, ahli biologi Universitas New York yang tidak terlibat dalam penelitian. “Mereka mencoba menunjukkan bahwa dengan mengubah aturan bagaimana gen berinteraksi, Anda bisa mendapatkan perubahan drastis pada tanaman.”

Pada awal 2000-an, Dr. Parsi mengira dia mengerti brokoli. Dia bahkan mengajarkan pelajaran evolusi bunga. “Apa itu kembang kol? Bagaimana bisa tumbuh? Kenapa bentuknya seperti itu?” ujarnya.

Kembang kol, seperti kubis Brussel, berasal dari polong pendidikan selektif Dari Brassica oleracea. Manusia membiakkan kubis Brussel untuk tunas samping dan brokoli untuk kelompok bunga. Namun, kembang kol tidak menghasilkan kuncup bunga; Perbungaan, atau kuncup bunga, tidak pernah matang untuk menghasilkan bunga. Sebaliknya, kuntum kembang kol menghasilkan replika diri mereka sendiri dalam spiral, menciptakan kelompok dadih seperti keju vegan.

Ketika kedua peneliti tersebut membahas kembang kol, Dr. Godin menyarankan bahwa jika Dr. Parsi benar-benar memahami tanaman, akan mudah untuk memodelkan evolusi morfologi sayuran. Ternyata tidak.

Keduanya pertama kali menemukan rawa bergumpal di papan, dan merencanakan berbagai jaringan genetik yang dapat menjelaskan bagaimana tanaman tersebut bermutasi menjadi bentuknya saat ini. Inspirasi mereka adalah Arabidopsis thaliana, ramuan yang dipelajari dengan baik dalam keluarga yang sama dengan kembang kol dan banyak sepupunya.

Jika kembang kol memiliki satu kembang kol di pangkal tanaman, maka Arabidopsis memiliki banyak struktur mirip kembang kol di sepanjang tangkainya yang panjang. Tapi gen apa yang bisa memurnikan kembang kol yang lebih ramping ini menjadi satu kembang kol yang besar dan kompak? Dan jika mereka mengidentifikasi gen ini, dapatkah mereka mengoleskan kembang kol ini ke puncak yang dibentuk oleh Romanescus?

Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, para peneliti mengubah jaringan gen dan menyalakannya melalui model matematika, menghasilkannya dalam 3-D dan mengubahnya dalam kehidupan nyata. “Anda membayangkan sesuatu, tetapi sampai Anda memprogramnya, Anda tidak tahu seperti apa bentuknya,” kata Dr. Parsi.

(Selama penelitian, Dr. Barsi juga mengumpulkan beberapa sampel Romanesco dari pasar petani lokal, mengurutkannya dan membedahnya. Dia dan rekan-rekannya kemudian memakan sisa makanan, seringkali mentah dengan berbagai saus, bersama dengan segelas bir.)

Saya telah gagal dalam beberapa prototipe, dan itu tidak terlihat seperti kembang kol. Pada awalnya, para peneliti mengira kunci kembang kol terletak pada panjang batangnya. Tetapi ketika mereka memprogram tanaman Arabidopsis dengan dan tanpa batang pendek, mereka menyadari bahwa mereka tidak perlu mengurangi ukuran tangkai kembang kol, baik dalam model 3D atau dalam kehidupan nyata.

Dan brokoli yang mereka simulasikan dan tanam tidak cukup fraktal. Pola itu hanya terlihat pada dua skala fraktal, seperti spiral yang bersarang di pusaran lain. Sebaliknya, kembang kol biasa sering menunjukkan kesamaan diri pada setidaknya tujuh skala fraktal, menyiratkan spiral terdampar dalam heliks bersarang dalam pusaran bersarang di pusaran bersarang di pusaran intervensi di ujung lain.

Jadi alih-alih fokus pada batang, mereka fokus pada meristem, area jaringan tanaman di ujung setiap batang tempat sel-sel yang membelah secara aktif menghasilkan pertumbuhan baru. Mereka berhipotesis bahwa membuat meristem lebih besar akan meningkatkan jumlah tunas yang dihasilkan.

Satu-satunya masalah adalah bahwa para peneliti tidak tahu gen mana yang mungkin mengontrol frekuensi produksi meristem.

Suatu hari, Eugenio Azpetia, yang saat itu menjadi rekan postdoctoral di lab Dr. Godin, mengingat sebuah gen yang diketahui mengubah ukuran bagian tengah meristem. Ketiga peneliti menikmati momen euforia yang singkat, kemudian dengan sabar menunggu berbulan-bulan hingga Arabidopsis yang baru dimodifikasi tumbuh. Ketika kuncupnya bertunas, mereka memiliki kembang kol dengan kepala kerucut yang khas.

“Ini sangat mengingatkan kita pada apa yang terjadi di Romanesco,” kata Dr. Godin dengan bangga.

Biasanya, ketika tanaman berkecambah bunga, ujung berbunga tanaman mencegah pertumbuhan lebih lanjut dari batang. Kembang kol dadih adalah kuncup yang dirancang untuk menjadi bunga tetapi tidak pernah sampai di sana, malah membuangnya. Tetapi percobaan para peneliti meristem telah menemukan bahwa karena pucuk ini telah melalui fase pembungaan sementara, ia terkena gen yang mengarah pada pertumbuhannya. “Karena kamu adalah bunga, kamu bebas tumbuh dan kamu bisa menembak,” kata Dr. Parsi.

Proses ini menciptakan reaksi berantai di mana meristem menghasilkan banyak tunas yang pada gilirannya menciptakan banyak tunas, mengaktifkan geometri fraktal kembang kol.

Itu bukan tunggul biasa,” kata Dr Goodin. “Ini adalah kaki tanpa daun. Kaki tanpa pikiran.”

“Ini satu-satunya cara membuat kembang kol,” kata Dr. Parsi.

Para peneliti mengatakan kemungkinan ada mutasi lain yang bertanggung jawab atas bentuk luar biasa Romanesco. Ning Gu, seorang peneliti di Pusat Penelitian Sayuran Beijing yang juga mempelajari kemungkinan mekanisme genetik di balik struktur dadih kembang kol, mengatakan makalah itu memberikan “banyak inspirasi.”

“Ceritanya belum berakhir,” kata Dr. Godin, seraya menambahkan bahwa ia dan Dr. Parsi akan terus meningkatkan model kembang kol mereka. “Tapi kami tahu kami berada di jalur yang benar.”

Tetapi mereka mengatakan bahwa mereka terbuka untuk mempelajari apa pun dari bunga.