Modelling the development of phyllotactic patterns at the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana

• The study of phyllotactic patterns have a long history, but the bulk of our detailed understanding of developmental processes in plants comes from research conducted in the last thirty or forty years. New modern techniques have made it possible to study plants in ways that previously was not possible. Using confocal microscopy it is possible to generate three-dimensional stacks of images of a plant, and series of stacks makes it possible to follow the development in time. In combination with biological markers, gene and protein expression patterns can be followed both in time and space. This new type of data plays an important role in the modern development of mathematical and computational models of developmental processes in plants. In this thesis we study different aspects of the development of phyllotactic patterns at the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana; the self-regulating feedback network of the WUSCHEL and CLAVATA genes, anisotropic growth of plant cells, cell division in the epidermal layer of the meristem, and intercellular transport of the plant hormone auxin. A systems biology approach is taken to make models from experimental data. All models are represented mathematically by ordinary differential equations and a toolbox of both analytical, numerical, and statistical methods is used to analyse the models. Using computer simulations and the following data analysis we provide predictions that can be tested in experiments.

• Popular Abstract in Swedish Fyllotaxi är läran om blad, löv, och andra växtorgans placering. Ordet fyllotaxi har sitt ursprung i de grekiska orden för 'blad' och 'organisation', och mönsterbildning i växter har studerats sedan antiken. Mönster i naturen har alltid intresserat människan och fantasieggande kopplingar till matematiken gör sig ständigt till känna. I många växter bildar växtorgan mönster av spiraler som är nära sammankopplade med den så kallade Fibonacci-serien. Fibonacci-serien är en serie av heltal där varje tal i serien är summan av de två föregående talen (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, o.s.v.). Kvoten mellan två efterföljande tal i serien går mot vad som brukar kallas för det gyllene snittet. När ett nytt växtorgan skapas bildar det tillsammans med det föregående organet en vinkel. Vinkeln är ofta lika med 137,5 grader -- kallad den gyllene vinkeln -- vilken är nära besläktad med det gyllene snittet. När växten skapar nya organ skapas en spiral, men det mänskliga ögat uppfattar även att organen bildar ett antal spiraler i både mot- och medurs riktning. Räknar man antalet spiraler i vardera riktning är dessa två tal -- för många växter -- lika med två efterföljande tal i Fibonacci-serien. Trots att människan har studerat mönsterbildning i växter i flera tusen år kommer den större delen av vår förståelse för de underliggande biologiska processerna från forskning utförd under de senaste tre-fyra decennierna. Ny teknik har skapat möjligheter att undersöka utvecklingen från frö till fullvuxen växt. Konfokalmikroskopi har gjort det möjligt att skapa tredimensionella modeller av växter som kan studeras och användas vid modellering och datorsimuleringar. Med hjälp av biologiska markörer är det även möjligt att följa geners och proteiners uttryck i tid och rum. I den här avhandlingen använder vi modeller för att studera olika aspekter av mönsterbildning i skottet av växten Arabidopsis thaliana -- eller backtrav som är växtens svenska namn. I de fem artiklar som ingår i avhandlingen tittar vi närmare på ett självreglerande gennätverk i skottet, anisotropisk tillväxt av celler, celldelning, samt intercellulär transport av växthormonet auxin. I nära samarbete med biologer utvecklar vi matematiska modeller som uttrycks i form av ordinära differentialekvationer. Vi använder sedan analytiska, numeriska, och statistiska metoder för att analysera modellerna. Analyserna leder till förutsägelser som kan testas i nya experiment. I avhandlingen står Arabidopsis thaliana i fokus. Arabidopsis är på grund av sin korta livscykel och modesta storlek en av de mest studerade modelorganismerna. Även vi väljer att studera Arabidopsis, men resultaten som presenteras i den här avhandlingen är även applicerbara på andra växter. Än är våra studier begränsade till grundforskning, men förhoppningar finns att forskningen ska leda till praktiska tillämpningar inom jordbruket och -- den för Sverige viktiga -- skogsindustrin.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Biologi -- Biofysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Biological Sciences -- Biophysics (hsv//eng)

Nyckelord

systems biology

plant stem cells

computational morphodynamics

shoot apical meristem

Arabidopsis

cell division

Fysicumarkivet A:2010:Sahlin

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)