Oude wiskunde onthult nieuwe geheimen over deze verleidelijke bloemen

Een model dat ooit door Alan Turing is ontwikkeld, kan de stippen op deze ongelofelijk diverse bloemen – en vele andere natuurlijke patronen –deels verklaren.

Friday, May 15, 2020,
Door Katherine J. Wu
Foto's Van Andria Lo
De maskerbloemsoort Mimulus pictus, met een uniek patroon op de blaadjes.

De maskerbloemsoort Mimulus pictus, met een uniek patroon op de blaadjes.

Foto van ANDRIA LO

Wetenschappers die onderzoek doen naar maskerbloemen hebben soms het gevoel dat de planten ze aankijken. De vorm van de bloem heeft iets weg van een gezicht of masker– vandaar de naam – met een gestippeld hart dat lijkt op een opengesperde mond, zodat de bijen hun nectar gemakkelijk kunnen vinden.

“Het is een soort van vriendelijk gezicht als teken dat het een veilige haven is voor de bestuivers,” zegt Benjamin Blackman, plantenbioloog aan de University of California in het Amerikaanse Berkeley. Door het aantrekken van bestuivende insecten zorgen de gestippelde blaadjes ervoor dat de plant zal overleven.

“Het kleurencontrast maakt de bestuiving veel efficiënter en effectiever,” aldus Yaowu Yuan, bioloog aan de University of Connecticut.

Voor Yuan, die zich de afgelopen tientallen jaren volledig heeft gewijd aan onderzoek naar maskerbloemen, zijn de gestippelde blaadjes veel meer dan alleen een aantrekkelijk plaatje voor de insecten. Ze zijn een botanisch voorbeeld van patronen die overal in de boom des levens voorkomen. Van de keurig parallelle lijnen op zeeschelpen tot de sierende strepen op de flanken van zebra’s, al deze patronen zouden wel eens uit hetzelfde evolutionaire hout gesneden kunnen zijn.

In een recentelijk onderzoek tonen Yuan en zijn collega’s aan dat de stippen waarmee de blaadjes van de maskerbloem bezaaid zijn, het resultaat zijn van een oorlog tussen slechts twee genen. In een gevecht om de controle van het pigment van de plantencellen kunnen de genen helemaal losgaan en een enorme dosis diversiteit binnen één enkele plantensoort zaaien. Deze bevinding is mogelijk een bevestiging van een decennia-oude theorie die als eerste werd bedacht door de Britse wiskundige Alan Turing. Hij beweerde dat er een algemeen sjabloon zou zijn voor veel van de meest mysterieuze patronen in de natuur.

“Pigmentatiepatronen zijn complex en komen overal in de natuur voor,” zegt Blackman, die mede-auteur is van het nieuwe onderzoek. “Dit onderzoek toont aan dat deze complexiteit kan worden veroorzaakt door een relatief simpel systeem.”

Een hybride maskerbloem van de soorten Mimulus cupreus en Mimulus variegatus.

Foto van Andria Lo

Een hybride maskerbloem van de soort Mimulus verbenaceus.

Foto van Andria Lo

Verblindende natuurlijke diversiteit

Overal in de natuur zijn patronen te vinden – zichtbare trekken met verschillende biologische functies: van het aantrekken van een paringspartner tot het herkennen van leden van dezelfde soort. Wetenschappers hebben al lang geleden begrepen dat deze patronen voorspelbare mathematische modellen volgen. In de jaren vijftig presenteerde Turing een ‘reactie-diffusie’-model waarmee veel van de patronen in de biologische wereld verklaard zouden kunnen worden. Volgens dit model werken chemicaliën met tegengestelde effecten in hetzelfde organisme tegen elkaar.

Organismen lijken dezelfde moleculaire bouwstenen te gebruiken om visuele patronen te genereren, maar het is moeilijk gebleken om de genetische werking van deze kleurrijke arrangementen vast te leggen. Maar de maskerbloem, een robuuste en snelgroeiende plant van het Mimulus-geslacht met een relatief simpel genoom, is het perfecte mechanisme om natuurpatronen te bestuderen, zegt Irene MartinezMimulus-onderzoeker aan de Amerikaanse Binghamton University.

Er zijn ongekend veel verschillende soorten maskerbloemen met een pallet aan kleuren, vormen en patronen, zelfs binnen een en dezelfde soort. In de afgelopen jaren hebben honderden wetenschappers de planten in hun kassen geteeld, in de hoop de genetische oorzaak van deze diversiteit en de rol van variatie in de overleving van de soort te ontdekken. De bloemen zijn ook uitstekende vervangers voor andere (dier)soorten die zich niet zo makkelijk in het lab laten onderzoeken, zoals bijvoorbeeld het luipaard met zijn vacht vol rozetvormige vlekken.

“Mimulus is een zeer sterke en testbare soort,” zegt Arielle Cooley, maskerbloembioloog aan het Amerikaanse Whitman College, en niet betrokken bij het nieuwe onderzoek.

Hybride maskerbloemen van de soorten Mimulus cupreusen Mimulus variegatus.

Foto van Andria Lo

Yuan maakte gebruikt van de flexibiliteit van de plant om in zijn laboratorium een heel scala aan genetische mutanten van de Mimulus lewisii te creëren. Sommigen verloren hun kenmerkende gestippelde patroon en kregen in plaats daarvan een uniform karmijnroodgekleurde vlek die wat weg had van een tong, hangend over een achtergrond van geel en roze. 

Als bij toeval kregen Blackman en zijn laboratorium in Californië – aan de compleet andere kant van het land dan Yuan in Connecticut – een vergelijkbaar idee nadat hij in het wild een paar mutanten van de nauw verwante soort Mimulus guttatus met rode tongen had gevonden. Blackman en Yuan besloten om te gaan samenwerken in hun zoektocht naar de genetische motor achter de weelderige pracht van de bloem.

Pigment-oorlogen

Met behulp van krachtige hulpmiddelen voor genetische bewerking zoals CRISPR analyseerden de teams van Yuan en Blackman de gemuteerde maskerbloemen met de rode tong, waarna ze de bloemen reconstrueerden in het lab. Ze vonden twee genen die verantwoordelijk waren voor het gespikkelde patroon van rode stippen dat meestal voorkomt op de tongen van wilde maskerbloemen.

Om ervoor te zorgen dat een cel van een maskerbloem rood wordt, moet de cel kloddertjes rood pigment met de naam anthocyanine uitscheiden – een proces dat in gang wordt gezet door een gen dat een activatormolecule produceert. Deze activators zetten de bloem ertoe aan om nog meer activators aan te maken, om op die manier de pigmentatie voort te zetten. Als dit proces niet wordt onderbroken, wordt de volledige tong van de bloem rood.

“Het lijkt er feitelijk op dat de plant zijn tong naar je uitsteekt,” zegt Blackman over de mutanten met de rode tong.

Om zichzelf onder controle te houden, zetten de activatormoleculen ook de productie van een zogenaamde repressor in gang – een ander molecuul dat in nabijgelegen cellen kan doordringen en hun activators kan uitschakelen, waardoor kleuring wordt verhinderd. Hoe verder verwijderd van de eerste cel, hoe minder repressors aanwezig zullen zijn.  En dat betekent dat de activators in de verderop gelegen cellen weer verder kunnen met het aanmaken van pigment, met als resultaat nieuwe gekleurde stippen op het bloemblad.

De maskerbloemsoort Mimulus nudatus.

Foto van Andria Lo

De maskerbloemsoort Mimulus acutidens.

Foto van Andria Lo

Het genetische proces achter de stippen van de maskerbloem, aangedreven door strijdende microscopische moleculen, is een perfect voorbeeld van het reactie-diffusie-model dat Alan Turing meer dan een halve eeuw geleden presenteerde.

Er zijn slechts twee genen nodig om dit bedrieglijk eenvoudige systeem te laten werken, en beide zijn onontbeerlijk voor de productie van pigmentatiepatronen. Als de activatormolecule in Mimulus muteert, kan dit een saaie, stiploze plant tot gevolg hebben; als de repressormolecule muteert, kun je eindigen met bloemen die een té rode kleur hebben. Beide uitkomsten betekenen slecht nieuws voor de plant, want de hommels - die anders de nectar van de bloem zouden snoepen en daarna vrolijk bestuivend verder zouden brommen – raken er helemaal van de kaart van.

Yuan, Blackman en Cooley zijn allemaal van mening dat reactie-diffusie in ieder geval een gedeeltelijke rol speelt in de bepaling van alle terugkerende visuele patronen in de natuur. “Neem bijvoorbeeld een wijnrank die met regelmatige tussenpozen bloemen krijgt, of strepen die worden herhaald op een lichaam. Dat zijn allemaal goede kandidaten,” aldus Cooley. En nu het team de bevindingen van de maskerbloemen op zak heeft, lijkt de mogelijkheid om een aantal van deze andere levende vergelijkingen op te lossen groter dan ooit.

Mimulus-mysteries

Met modellen die de kleurrijke strijd tussen activator en repressor kunnen simuleren, kunnen Yuan en Blackman de sproeten van Mimulus-planten reproduceren. Maar dan zijn ze er hoogstwaarschijnlijk nog niet. “Het is een simpel model,” zegt Yuan. “Maar als er één ding is dat ik in de biologie heb geleerd, dan is het dat … het in een echt biologisch systeem nooit zó simpel zal zijn. De details zullen altijd anders zijn.”

Zo bevinden de stippen van de maskerbloem zich bijvoorbeeld alleen op bepaalde delen van de bloemblaadjes en pertinent niet op andere. Cooley en haar team doen nu onderzoek naar deze stiploze zones, en zetten stappen in de ontdekking van weer een ander systeem dat ervoor zorgt dat de stippen alleen in specifieke regio’s voorkomen.

“Er is een lange traditie waarbij er bij een fenomeen slechts werd gedacht: dat is zo waanzinnig en ongelofelijk, er is niets wat dit zou kunnen verklaren,” aldus Cooley. “Maar als we dieper graven, ontdekken we dat er onderliggende beginselen zijn.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Bioloog Yaowu Yuan met een ruimte vol mutanten van de Mimulus lewisiiin de kassen van de University of Connecticut Ecology and Evolutionary Biology.

Foto van Andria Lo
Lees meer