Cell System:哈佛大学研发学者借用数学模型阐明植物条纹

日期：2016-01-06

DOI：Ihttp://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2015.12.001 作家：Sean Megason 

12月23日国际驰名生物学权威杂志《Cell》子刊《Cell System》杂志上在线刊登哈佛医学院Sean Megason研发员的一篇研发论文，论文借用一个崭新的模型阐明植物背部条纹的外形构成与操控原因。Tom Hiscock为论文第一作家与一同通讯作家，Sean Megason研发员为论文通讯作家。

为什么老虎是竖条纹，斑马鱼是横条纹?哈佛医学院研发职员借用数学模型奉告咱们谜底。

老虎的背部本能够像一起空缺的画布同样，什么图案都没有，可是大自然却为这类大型猫科植物画上了平行的条纹，这类条纹间的距离均等以及和脊柱垂直。科学家们并非非常清晰这类条纹是如何生成的，可是自从20时代50年代起，数学家们便开启模仿也许的体制了。哈佛大学的研发职员把这一系列的模型都调整成了一个单独的方程，以此来探明是哪类变量操控了生物条纹的生成。

“咱们想获得一个十分简洁的模型，但期望它范畴充足广，并能同时容纳各类不同的阐明。”Tom Hiscock 说道，他是哈佛医学院Sean Megason体系生物试验室的博士生。“咱们如今须要弄清晰分子、细胞并且机器假说有什么一同之处，弄清晰这类后咱们就会知晓用什么样的试验辨别它们了。”

数学上为条纹建模是极其简洁的(况且许多相关这个课题的初期工作全是阿兰·图灵(Alan Turin)完结的)当互相功效的物质，例如色素、化学物或某种细胞显现浓度波动的时候，图案就显示出去了。但图灵的模型没有阐明为什么条纹会一致持续着特殊的方向。

Hiscock 的研发首要的目的是在条纹方向的问题。例如说，为什么老虎的条纹是垂直于肌体的，而斑马鱼的条纹是程度的。他调整的模型带来到的一个较大的欣喜就是，只需对模型进行一点小小的变化就能够变化条纹的方向。但咱们现在不清晰这一流程是怎样在生物身上实行的，例如是什么变量促使老虎的条纹展现出竖直状况?

“咱们能够用这个简洁的数学方程来描绘条纹生成流程中产生了什么，可是我想咱们还不可准确知晓详细是什么分子或是细胞可以造成条纹的生成。”Hiscock 说道。有类基因突变能够让斑马鱼不生成条纹，而是构成黑点。“可是问题在于那一个较大的相互功效网络，因此任意属性的改变都会造成图案的变化。”他补足道。

他首要的模型预判了三类也许会牵连条纹走向的扰动原因：一个是“制造梯度”(production gradient)的变化，它会加大条纹图案的密度;第二个是“属性梯度”(parameter gradient)，它会造成与条纹生成相关的一个属性的变化;最终一个是分子、细胞的物理摆列方向，或条纹的机器起源。

固然这篇论文是基于理论研发的，可是Hiscock 相信很快就能借助试验工具，验证生物体系的条纹生成体制能否遵循该数学模型。

原文链接：

原文摘要：

Patterning of periodic stripes during development requires mechanisms to control both stripe spacing and orientation. A number of models can explain how stripe spacing is controlled, including molecular mechanisms, such as Turing’s reaction-diffusion model, as well as cell-based and mechanical mechanisms. However, how stripe orientation is controlled in each of these cases is poorly understood. Here, we model stripe orientation using a simple, yet generic model of periodic patterning, with the aim of finding qualitative features of stripe orientation that are mechanism independent. Our model predicts three qualitatively distinct classes of orientation mechanism: gradients in production rates, gradients in model parameters, and anisotropies (e.g., in diffusion or growth). We provide evidence that the results from our minimal model may also apply to more specific and complex models, revealing features of stripe orientation that may be common to a variety of biological systems.