O véu se ergue sobre a forma fractal da couve-flor e do romanesco 🥬

Por Christophe Godin e Francois Parcy, Inrae

Durante o processo de domesticação, o ser humano selecionou as plantas mais adaptadas às suas necessidades, como, por exemplo, frutas maiores ou sementes que permanecem presas à espiga. Já se sabia que essas plantas eram geneticamente um pouco diferentes das plantas selvagens, mas foi apenas nos últimos anos que começamos a identificar a origem genética dessas diferenças e a entender como elas se traduzem em mudanças de forma, tamanho ou cor.


As couves (Brassica oleracea) são um exemplo espetacular de domesticação. A partir de plantas selvagens que produziam algumas folhas e então um caule florido parecido com o da colza, a domesticação permitiu obter vegetais com aparências muito contrastantes, como a couve comum, a couve Kale, o rábano, os repolhos-de-bruxelas e as couves em que o caule florido, chamado de inflorescência, transforma-se em brócolis, couve-flor ou até no romanesco, com sua fascinante forma fractal.

Este último é constituído por espirais compostas por pequenas pirâmides cônicas chamadas de floretes, cada uma lembrando a forma cônica global da couve inteira. E cada um desses floretes também é composto por espirais formadas por floretes cônicos ainda menores, e assim sucessivamente. É essa propriedade, na qual o mesmo padrão geométrico aparece em todas as escalas de uma forma (chamada de autossimilaridade), que confere à couve romanesco seu caráter "fractal" notável.

Como as mudanças genéticas acumuladas ao longo dos séculos puderam modificar tanto o crescimento dos caules e flores, gerando formas fractais tão complexas e perfeitas?

Uma luta genética entre caules e flores

Como as mudanças genéticas acumuladas ao longo dos séculos puderam modificar tanto o crescimento dos caules e flores, gerando formas fractais tão complexas e perfeitas?

Nosso consórcio internacional se dedicou a esse enigma utilizando Arabidopsis thaliana, uma erva daninha bastante estudada em laboratório e parente das couves. Nossos resultados acabam de ser destacados na revista Science. Em Arabidopsis, observou-se nos anos 90 que duas mutações, ou seja, alterações genéticas, eram suficientes para transformar as flores em pequenas couves! Isso sugeria que o número de mutações essenciais para transformar a estrutura de uma planta ancestral em uma couve-flor comestível poderia ser relativamente pequeno, afinal.


Como duas mutações podem induzir uma mudança tão espetacular de forma? Para entender isso, é necessário observar como as plantas crescem.

A parte aérea de uma planta resulta do crescimento de um broto contido na semente, que gera um caule e novos brotos ao longo desse caule, que, por sua vez, produzem outros caules e novos brotos, e assim por diante. Esses brotos podem crescer imediatamente ou permanecer dormentes. Quando crescem, podem formar caules com folhas ou flores.

Isso dependerá do resultado da luta que ocorre em cada novo broto criado entre genes "de caule" e genes "de flor" que competem para determinar a identidade do broto. Essa luta envolve uma rede de alianças e interações difícil de interpretar.

Para compreender melhor essa complexa teia de interações e seu impacto no crescimento da planta, desenvolvemos uma abordagem que combina experimentação biológica, modelagem matemática e simulação do desenvolvimento da planta em 3D. Passo a passo, esta análise permitiu isolar o mecanismo genético responsável pela forma da couve-flor e entender seu impacto no crescimento da planta.

Em resumo, trata-se de uma guerra territorial. Na planta normal, no momento de desenvolver brotos florais, um primeiro gene "o arquiteto floral" torna-se ativo nos brotos. Para formar a flor, ele precisa chamar outros genes florais como reforço, que impedem a invasão do broto pelos genes de caule. O broto adquire então definitivamente a identidade de "flor".

Caules produzidos infinitamente para formar fractais

Na couve-flor de Arabidopsis, o arquiteto floral chama os reforços florais, mas eles não vêm, e por uma boa razão: são precisamente esses genes que foram inativados pelas duas mutações! Assim, o broto, depois de começar a entrar no estado floral, é invadido pela atividade dos genes de caule, que então lhe conferem essa identidade.

Mas esses brotos não são caules perfeitamente normais! Nossa equipe demonstrou que sua breve incursão no estado de flor os afetou de forma irreversível, permitindo-lhes, ao contrário dos caules normais, começar a crescer imediatamente (sem entrar em dormência como ocorre na planta normal), sem folhas, e assim se multiplicarem rapidamente e quase infinitamente.

Os brotos de caule assim modificados produzem novos brotos de flor, que não conseguem formar flores, mas voltam a se tornar brotos de caule, que tentam produzir novos brotos de flor sem sucesso, e assim por diante. A couve nasce, portanto, de uma verdadeira reação em cadeia desencadeada pela passagem momentânea no estado "flor" dos brotos, resultando em um amontoado de caules sobre caules sobre caules... que formam a estrutura fractal em espirais da couve-flor.


A couve-flor comestível e o romanesco são formados por um mecanismo bastante semelhante ao de Arabidopsis, embora sejam maiores e mais compactos. Mas por que o romanesco apresenta uma aparência tão fractal? Na realidade, a couve-flor já é fractal. Ela possui floretes semelhantes em todas as escalas e organizados em espirais. Mas isso não é muito evidente porque a estrutura global é achatada e as diferentes floretes são pouco individualizadas.

No romanesco, a forma piramidal de cada florete destaca o aspecto fractal de forma notável. Os pesquisadores mostraram, por meio de simulações numéricas e experimentações na couve-flor de Arabidopsis, que essa propriedade provavelmente surge porque, no núcleo dos brotos do romanesco, os novos brotos são produzidos a um ritmo crescente à medida que cada broto cresce, enquanto esse ritmo permanece constante na couve-flor.

Essa característica é suficiente para acelerar o crescimento do caule de cada florete e conferir-lhes um aspecto piramidal. A estrutura fractal do romanesco é, de certa forma, uma visão "em relevo" da estrutura fractal da couve-flor.


Nosso estudo traz uma compreensão íntima de como a atividade dos genes se combina ao crescimento para dar forma às plantas floríferas. Ele revela essa capacidade dos brotos de caule de se multiplicarem ao extremo, uma capacidade geralmente oculta na natureza por diferentes mecanismos: os brotos produzem flores ou caules que se alongam antes de produzirem novos brotos e, assim, resultam em estruturas menos compactas que nas couves; em um caule, existe uma hierarquia de prioridades de crescimento na qual os brotos laterais frequentemente permanecem dormentes enquanto o broto principal cresce; finalmente, o próprio mecanismo de floração põe fim à atividade de um broto ao transformá-lo em flor.

Todos esses mecanismos, que naturalmente impedem a proliferação dos caules na maioria das plantas, são simultaneamente inativados na couve-flor, que, portanto, pode produzir essas estruturas repetitivas e compactas de caules.

Esses resultados sobre a planta modelo Arabidopsis abrem novas perspectivas em pesquisa e agronomia. Por exemplo, na pesquisa, eles nos servirão como guia em nossa busca pelo ou pelos genes modificados durante a domesticação que são, no final, responsáveis pela forma tão peculiar das couves-flores e do romanesco. Na agronomia, eles nos proporcionam um valioso quadro de análise para considerar novos avanços na domesticação.

Uma vez identificadas todas as mutações responsáveis pela forma da couve-flor, será possível domesticar couves selvagens que apresentam vantagens na agricultura (como maior resistência a doenças ou ao aumento de temperatura) e fazer com que elas produzam couves-flores ou couves romanesco. Essa abordagem, chamada de domesticação de novo, visa refazer de forma acelerada (utilizando, por exemplo, técnicas de edição de genomas) o caminho da domesticação que levou vários milênios para nossos ancestrais.