Das Geheimnis der fraktalen Form von Blumenkohl und Romanesco 🥬

Von Christophe Godin und Francois Parcy, Inrae

Während des Domestikationsprozesses hat der Mensch die Pflanzen ausgewählt, die am besten an seine Bedürfnisse angepasst waren, zum Beispiel größere Früchte oder Samen, die am Ährchen bleiben. Man wusste, dass diese Pflanzen genetisch leicht von Wildpflanzen abwichen, aber erst seit einigen Jahren beginnen wir, den genetischen Ursprung dieser Unterschiede zu identifizieren und zu verstehen, wie sich diese Unterschiede in Veränderungen der Form, Größe oder Farbe äußern.


Die Kohlsorten (Brassica oleracea) sind ein spektakuläres Beispiel für Domestikation. Ausgehend von Wildpflanzen, die einige Blätter und dann einen blühenden Stiel hervorbringen, der dem von Raps ähnelt, hat die Domestikation Gemüse hervorgebracht, die sehr unterschiedliche Erscheinungen haben, wie Grün-, Grünkohl-, Kohlrabi-, Rosenkohl-Sorten und Kohlarten, bei denen sich der Blütenstiel, die sogenannte Infloreszenz, in Brokkoli, Blumenkohl oder sogar in den faszinierend fraktal geformten Romanesco verwandelt.


Dieser besteht aus Spiralen, die aus kleinen, konischen Pyramiden, den sogenannten Röschen, zusammengesetzt sind, die jeweils die gesamte konische Form des ganzen Kohls nachbilden. Und jedes dieser Röschen besteht wiederum aus Spiralen, die wiederum aus noch kleineren konischen Röschen bestehen, und so weiter. Diese Eigenschaft, bei der ein und dasselbe geometrische Muster auf allen Maßstäben innerhalb einer Form erscheint (dies wird als Selbstähnlichkeit bezeichnet), verleiht dem Romanesco-Kohl seinen bemerkenswerten "fraktalen" Charakter.

Wie konnten genetische Veränderungen, die über Jahrhunderte hinweg akkumuliert wurden, das Wachstum von Stängeln und Blüten derart verändern und so komplexe und perfekte fraktale Formen erzeugen?

Ein genetisches Duell zwischen Stängeln und Blüten

Wie konnten genetische Veränderungen, die über Jahrhunderte hinweg akkumuliert wurden, das Wachstum von Stängeln und Blüten derart verändern und so komplexe und perfekte fraktale Formen erzeugen?

Unser internationales Konsortium hat sich diesem Rätsel gewidmet und dabei Arabidopsis thaliana, ein in Laboren häufig untersuchtes Beikraut und eine Verwandte des Kohls, verwendet. Unsere Ergebnisse wurden gerade in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Bei Arabidopsis wurde bereits in den 1990er Jahren festgestellt, dass zwei Mutationen, also genetische Auffälligkeiten, ausreichen, um Blüten in kleine Kohlköpfe zu verwandeln! Dies ließ vermuten, dass die Anzahl essenzieller Mutationen, die notwendig sind, um die Struktur einer ursprünglichen Pflanze in essbaren Blumenkohl zu verwandeln, möglicherweise relativ begrenzt ist.


Wie können zwei Mutationen eine so spektakuläre Formveränderung bewirken? Um dies zu verstehen, muss man sich ansehen, wie Pflanzen wachsen.


Der obere Teil einer Pflanze entsteht aus dem Wachstum einer Knospe, die im Samen enthalten ist und einen Stängel sowie neue Knospen entlang dieses Stängels hervorbringt. Diese Knospen wiederum können weitere Stängel und neue Knospen hervorbringen, und so weiter. Diese Knospen können entweder sofort wachsen oder inaktiv bleiben. Wenn sie wachsen, können sie entweder blatttragende Stängel oder Blüten bilden.

Dies hängt vom Ergebnis eines Duells in jeder neuen Knospe ab, das zwischen "Stängelgenen" und "Blütengenen" ausgetragen wird, die darum kämpfen, der Knospe eine Identität zu verleihen. Dieses Duell beinhaltet ein Netzwerk von Allianzen und Wechselwirkungen, das schwer zu entschlüsseln ist.

Um dieses komplexe Geflecht und seine Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum besser zu verstehen, haben wir einen Ansatz entwickelt, der biologische Experimente, mathematische Modellierung und die Simulation der Pflanzenentwicklung in 3D kombiniert. Schritt für Schritt konnte diese Analyse den genetischen Mechanismus isolieren, der der Form des Blumenkohls zugrunde liegt, und seine Auswirkungen auf das Wachstum der Pflanze aufzeigen.

Kurz gesagt, es handelt sich um einen Territorialkonflikt. Bei der normalen Pflanze wird beim Entwickeln einer Blütenknospe ein bestimmtes Gen namens "blumiger Architekt" im Knospengewebe aktiv. Um die Blüte zu bilden, muss dieses Gen jedoch andere blumenspezifische Gene aktivieren, die verhindern, dass Stängelgene das Knospengewebe übernehmen. Die Knospe erhält dann endgültig die Identität "Blüte".

Unendlich viele Stängel zur Bildung von Fraktalen

Beim Arabidopsis-Blumenkohl ruft der blumige Architekt die Unterstützung der blumenspezifischen Gene, diese Gene werden jedoch durch zwei Mutationen deaktiviert! Die Folge: Die Knospe beginnt zunächst, sich in eine Blüte zu verwandeln, wird dann jedoch von der Aktivität der Stängelgene überrannt, weshalb sie dann die Identität "Stängel" annimmt.


Diese Knospen sind jedoch nicht völlig normale Stängel! Unser Team hat gezeigt, dass ihr kurzer Ausflug in den Zustand "Blüte" sie irreversibel verändert hat. Im Gegensatz zu normalen Stängeln können diese modifizierten Knospen sofort wachsen (ohne wie bei gewöhnlichen Pflanzen in einen Ruhezustand zu treten), keine Blätter bilden und sich sehr schnell und fast unbegrenzt vermehren.

Die so modifizierten Stängelknospen produzieren neue Blütenknospen, die jedoch keine Blüten bilden können, sondern wieder in Stängelknospen zurückverwandelt werden, die wiederum versuchen, neue Blütenknospen zu bilden, ohne Erfolg, und so weiter. Der Kohl entsteht also durch eine regelrechte Kettenreaktion, ausgelöst durch das momentane Einnehmen des "Blüten"-Zustands der Knospen, was zu einem Durcheinander von Stängeln über Stängeln führt — und die spiralförmige fraktale Struktur des Blumenkohls ausmacht.


Der essbare Blumenkohl und der Romanesco-Kohl werden durch einen Mechanismus gebildet, der Arabidopsis ähnelt, auch wenn sie größer und kompakter sind. Doch warum sieht der Romanesco so fraktal aus? Tatsächlich ist der Blumenkohl bereits fraktal. Er besitzt auf allen Ebenen ähnliche Röschen, die spiralförmig organisiert sind. Doch dies ist weniger offensichtlich, da die gesamte Struktur eher flach ist und die einzelnen Röschen wenig differenziert sind.


Beim Romanesco betont die pyramidenartige Form jedes Röschens die bemerkenswert fraktale Struktur. Forscher zeigten durch numerische Simulationen und Experimente am Blumenkohl-Arabidopsis, dass diese Eigenschaft höchstwahrscheinlich dadurch entsteht, dass in den Knospen des Romanesco-Kohls neue Knospen mit wachsender Geschwindigkeit erzeugt werden, während dieses Tempo beim Blumenkohl konstant bleibt.

Diese Eigenschaft beschleunigt das Wachstum der Stängel jedes einzelnen Röschens und verleiht ihnen eine pyramidenartige Erscheinung. Die fraktale Struktur des Romanescos ist gewissermaßen eine "reliefartige" Darstellung der fraktalen Struktur des Blumenkohls.


Unsere Studie ermöglicht ein tiefes Verständnis dafür, wie Genaktivitäten mit Wachstumsprozessen zusammenwirken, um den Pflanzen ihr Aussehen zu verleihen. Sie verdeutlicht die Fähigkeit der Stängelknospen, sich extrem zu vervielfachen — eine Fähigkeit, die in der Natur meistens verborgen bleibt, weil verschiedene Mechanismen greifen: Die Knospen bilden entweder Blüten oder so lange Stängel, bis sie neue Knospen erzeugen, was weniger kompakte Strukturen als Kohlformen ergibt; es gibt Prioritätskonflikte beim Wachstum, wodurch seitliche Knospen oft inaktiv bleiben, solange die Hauptknospe wächst; zudem wird durch den Blüteprozess die Aktivität einer Knospe beendet, indem sie zu einer Blüte transformiert wird.

All diese Mechanismen, die bei den meisten Pflanzen normalerweise die unkontrollierte Vervielfältigung von Stängeln verhindern, sind beim Blumenkohl gleichzeitig deaktiviert, was die Produktion massenhaft wiederkehrender und kompakter Stängelstrukturen ermöglicht.


Diese Ergebnisse bei der Modellpflanze Arabidopsis eröffnen neue Perspektiven in der Forschung und der Landwirtschaft. In der Forschung dienen sie zum Beispiel als Leitfaden, um die Veränderungen bei der Domestikation zu identifizieren, die letztlich für die besondere Form von Blumenkohl und Romanesco verantwortlich sind. In der Landwirtschaft bieten sie einen wertvollen Rahmen, um neue Fortschritte in der Domestikation anzugehen.

Sobald alle Mutationen identifiziert sind, die für die Blumenkohlform verantwortlich sind, wird es möglich sein, wilde Grünkohlsorten, die landwirtschaftliche Vorteile bieten (z. B. höhere Resistenz gegen Krankheiten oder steigende Temperaturen), zu züchten und daraus Blumenkohl oder Romanesco herzustellen. Dieser Ansatz, bekannt als de novo Domestikation, zielt darauf ab, den Domestikationsprozess, der über Jahrtausende hinweg ablief, auf beschleunigte Weise nachzuvollziehen, zum Beispiel durch Techniken der Genom-Editierung.

Quelle: The Conversation unter Creative-Commons-Lizenz