Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Hazırladıkları makaleyi bioRxiv sitesine yükleyen araştırmacılar; bitki davranışını etkileyen ana uyarımı çözümleyerek, tek bir bitkinin büyümesini ve uyumlanma davranışını tam olarak tanımlayan bir tam bağımlı, lineer olmayan, otonom olmayan süreksiz ve adi diferansiyel denklem sistemi öneriyor.

Yakın zamanda yapılan çalışmalarda, bitkilerin edilgen organizmalar olmayıp aslında çevresel uyaranlara karşı yanıt olarak karmaşık davranışlar sergileyebildikleri ortaya konmuştu. 

Kendilerini çevreleyen ortama göre kaynak dağıtımı, yiyecek arama stratejisi ve büyüme hızı ayarlaması yapabildikleri biliniyordu. Bitkilerin bu uyaranlar ağını nasıl işleyip yönettikleri ise yanıtlanmayı bekleyen karmaşık bir biyolojik soru olmayı sürdürüyordu. Araştırmacılar, bitki davranışını daha iyi anlayabilmek için çeşitli matematiksel modeller önermişti. Ancak bu modellerin hiçbiri, bir bitkinin içsel iletişim ağı bağlamındaki uyaran-sinyal-davranışı zincirinin karmaşıklığını açıkça ve etkisel olarak portreleyememişti.

Yeni çalışmayı gerçekleştiren ekibi oluşturan GSSI ve IIT araştırmacıları; daha önceki çalışmalarında, bitki kökü davranışının çözümlenmesi için temel biyolojik ilkeleri tanımlamak ve onlardan yararlanmak amacıyla bitki içi haberleşmenin ardında yatan mekanizmaları mercek altına almıştı. Bu önceki çalışmada, simüle edilen ortamda robotik kökler çözümlenerek, bir dizi biyolojik kuralın algoritmik çözümlere çevrimi gerçekleştirilmişti. Her bir kök diğerlerinden bağımsız davranmasına rağmen, araştırmacılar besinlerin tüm-bitki düzeyinde içsel dengesini optimize etmeyi amaçlayan bazı öz-düzenlemeli (İng. self-organizing) davranışların belirdiğini gözlemlemişti. Çalışmadan ilginç sonuçlar çıkmakla beraber, bitki içi iletişimin karmaşıklığının çok küçük bir bölümünü dikkate alarak, toprak-üstü organların çözümlemesini ve fotosentezle ilgili süreçleri bütünüyle boş veriyordu.

“Bu makalede, bitki karmaşıklığının eksiksiz bir tanımını ele geçirmenin peşinde değiliz ama yine de bitkinin büyüme kararı için iç iletişimde rol oynayan süreçleri inceleme amacı güderek, bir bitkinin büyümesini etkileyen ana ipuçlarını belirlemek istiyoruz,” diyen araştırmacılar, yeni makalelerinde şöyle devam ediyor; “Burada, son teknoloji ürünü modellerden farklı olarak bütün süreç sıralamasını (besin alımı, fotosentez, enerji tüketimi ve yeniden dağıtımı) hesaba katan bir adi diferansiyel denklem sistemi öneriyor ve açıklıyoruz.”

Ekibin önerdiği diferansiyel denklem sistemi 11 denklemden oluşuyor.  

Yani ekip bu son çalışmalarında, tek bir bitki içinde uyumlanmış büyüme yanıtlarını etkinleştiren olası ipuçlarını çözümleyen ve bitki içi iletişimin dinamiklerini tanımlayan bir matematiksel model geliştirmeyi deniyor. Bu model, son teknoloji ürünü teknikler kullanılarak yapılan laboratuvar deneylerinde toplanan biyolojik kanıta ilişkin formülasyonlara dayanıyor.

Varolan modellerle karşılaştırılırsa, ekibin modeli daha geniş çapta öğeyi kapsıyor; buna fotosentez, nişasta parçalanması, çoklu besin alımı ve yönetimi, biyokütle paylaştırılması ve bakım dâhil. Bu öğeler, etkileşimleri ve bitkinin büyümesi üzerindeki etkileri akılda tutularak, derinlemesine çözümleniyor.

Modellerini doğrulamak ve sağlamlığını sınamak için araştırmacılar, bitki davranışına ilişkin deneysel gözlemler ile modellerinin simülasyonlara uygulandığında elde edilen sonuçları karşılaştırdı. Simülasyonlarda, bitkilerde doğal olarak oluşanlara benzer büyüme koşulları yaratıldı. Ekibin modeli, yüksek bir doğruluk sergiledi ve çok küçük hatalar görüldü. Bu da modelin, bitki içi iletişimin karmaşık dinamiklerini etkili bir biçimde özetlediğine işaret ediyor. 

Kaynaklar:

Fabio Tedone et al. Plant behavior: A mathematical approach for understanding intra-plant communication. DOI: 10.1101/493999. https://www.biorxiv.org/content/early/2018/12/11/493999

A mathematical approach for understanding intra-plant communication https://phys.org/news/2019-01-mathematical-approach-intra-plant.html

BilimFili.com – “Bitki İçi Haberleşmeyi Tanımlayan Matematiksel Yaklaşım Geliştirildi”, https://bilimfili.com/bitki-ici-haberlesmeyi-tanimlayan-matematiksel-yaklasim-gelistirildi/