Simulieren des Rot:Fernrot-Verhältnisses in Ihrem Modell

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Zellen, Gene & Moleküle Computermodelle in silico Plants
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Licht ist ein wesentlicher Faktor für das Pflanzenwachstum und die Entwicklung in der landwirtschaftlichen Produktion. Pflanzen absorbieren rote Wellenlängen durch photosynthetische Pigmente, während fernrote Wellenlängen von den grünen Blättern benachbarter Pflanzen reflektiert und übertragen werden. Dies verringert das Rot:Fernrot-Verhältnis innerhalb des Baldachins.

Pflanzen reagieren empfindlich auf das Rot:Fernrot-Verhältnis – niedrigere Werte induzieren Veränderungen von der phänotypischen bis zur molekularen Ebene, einschließlich Pflanzenhöhe, Blattmorphologie, Biomasse, Chloroplasten-Ultrastruktur und photosynthetische Eigenschaften. Diese Effekte ermöglichen es der Pflanze, mehr Lichtenergie einzufangen, was das Pflanzenwachstum und die Fitness in überfüllten Beständen maximiert. Trotz der wichtigen Rolle, die das Rot:Fernrot-Verhältnis bei der Pflanzenentwicklung spielt, war es nur begrenzt erfolgreich, zu bewerten, wie es die Morphogenese innerhalb eines Pflanzendachs beeinflusst, weil es so ist schwer zu messen. Der Schlüssel zur Lösung dieses Mysteriums ist die Verwendung von funktionaler struktureller Pflanzenmodellierung, um zu bewerten, wie verschiedene Strahlungsübertragungsmodelle die Simulation des Rot:Dunkelrot-Verhältnisses und das resultierende Wachstum der Blattstruktur unter Verwendung von Computermodellen beeinflussen.

Arthur Couturier, Doktorand am französischen Nationalen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt (INRAE), und Kollegen haben kürzlich eine Abhandlung in veröffentlicht in silico Pflanzen das stellt neue modellbasierte Methoden zur Beschreibung der räumlichen und zeitlichen Variabilität des Rot:Dunkelrot-Verhältnisses vor. Die Autoren bewerteten verschiedene Methoden zur Modellierung von Licht, um festzustellen, welche am genauesten war.

Die von den Autoren bewerteten Methoden waren:

  1. der Light-Model-Ansatz,
  2. die Strahlungsaustauschmethode und
  3. die Skala, die zum Abfangen der Lichtstrahlen betrachtet wird.

„Wir haben den Lichtmodellansatz auf zwei Arten simuliert“, erklärt Couturier. „Die Trübe-Medium-Methode stellt das Kronendach mit einer Anordnung von 3D-Zellen dar. Anschließend berechnet es den Strahlungstransport innerhalb jeder einzelnen Zelle. Dieser Ansatz berücksichtigt nicht vollständig die Auswirkung der Position und Ausrichtung einzelner Organe. Das RIRI-Modell verwendete diesen Ansatz. Die Radiosity-Methode berechnet den Strahlungstransport unter Berücksichtigung der Geometrie jedes einzelnen Laubelements und erfordert erhebliche Rechenzeit. Das CANESTRA-Modell nutzte diesen Ansatz.“

Die betrachteten Strahlungsaustauschverfahren waren ohne Streuung (nur direktes Abfangen von Licht berücksichtigt) und mit Lichtstreuung in alle Richtungen, nachdem es von den Phytoelementen abgefangen wurde. Während die Lichtstreuung repräsentativ für das ist, was innerhalb des Baldachins auftritt, ist sie rechenintensiv. Daher ist es wertvoll zu bewerten, wie viel Einfluss es auf die Morphogenese hat.

Es wurden drei Skalen zum Abfangen von Lichtstrahlen betrachtet:

  1. Die 'Organ'-Skala wurde aus der Bestrahlungsstärke von der Oberfläche des betrachteten Organs berechnet,
  2. die „Gesichts“-Skala, berechnet aus der Bestrahlungsstärke, die von der unteren horizontalen Oberfläche des Voxels, wo sich das betrachtete Organ befindet, abgefangen wird, und
  3. die 'Voxel'-Skala, berechnet aus der Bestrahlungsstärke eines betrachteten Voxels unter Verwendung eines Trübungs-Medium-Ansatzes.
Fügen Sie eine visuelle Darstellung der drei Skalen hinzu, die in der Studie als Zwei Intercept-Lichtstrahlen betrachtet wurden. Die erste Skala, CANESTRA organ, zeigt Lichtstrahlen, die von den Dreiecken eines einzelnen Blattes mit Blattstiel und Internodium abgefangen werden. Die zweite Skala, CANESTRA-Fläche, zeigt Lichtstrahlen, die von der unteren Fläche des Voxels, wo sich das Blatt befindet, abgefangen werden. Die dritte Skala, RIRI-Voxel, zeigt Strahlen, die von dem Voxel abgefangen werden, wo das Organ lokalisiert ist.
Die drei Skalen betrachteten die Lichtstrahlen in der Studie.

Die Autoren führten dann Simulationen mit den fünf in die bestehenden Methoden integrierten Methoden durch Virtuelles GrassLand-Modell um das Wachstum von Blattstielen und Internodien zu bestimmen. Die Studie konzentrierte sich auf zwei Pflanzenarten mit kontrastierender Architektur – Luzerne, die vertikal wächst, und Weißklee, der horizontal entlang des Bodens wächst.

Ein Flussdiagramm mit fünf Ansätzen, die in fünf Modellen enden. Die erste Ebene ist Modell. Es gibt zwei Modelle, RIRI und CANESTRA. Aus dem RIRI-Modell ist der Ansatz des Lichtmodells ein trübes Medium. Das Strahlungsaustauschverfahren ist ohne Streuung. Die Modellierungsskala ist Voxel. Das Verfahren heißt daher „RIRI Voxel without Scattering“. Aus dem CANESTRA-Modell ist der Lichtmodellansatz Radiosity. Es gibt zwei Strahlungsaustauschmethoden, mit und ohne Streuung. Ohne Streuung ist die Skala FACE oder Organ. Die Methode von FACE heißt „CANESTRA Face without scattering“ und die Methode von ORGAN heißt „CANESTRA Organ without scattering“. Bei der Streuung ist die Skala FACE oder Organ. Die Methode von FACE heißt „CANESTRA Face with Scattering“ und die Methode von ORGAN heißt „CANESTRA Organ with Scattering“.
Die fünf im Artikel verwendeten Methoden zur Berechnung des Strahlungstransports.

Die fünf Methoden erzeugten unterschiedliche mittlere Rot:Fernrot-Verhältnisse, denen die Internodien und Blattstiele innerhalb der Baumkrone während der Vegetationsperiode ausgesetzt waren. Wie bereits erwähnt, ist das Verhältnis schwierig zu messen und daher ist es schwierig zu bestimmen, welche Methode die realistischsten Werte liefert. Die frühe Abnahme des Rot:Dunkelrot-Verhältnisses, die durch die CANESTRA Organ-Methoden erzeugt wird, weist jedoch darauf hin, dass sie das Vorhandensein benachbarter Pflanzenorgane in den frühen Entwicklungsstadien erkennen können, während die anderen drei Methoden erst später, wenn Blätter vorhanden sind, ein verringertes Verhältnis zeigen .

Ein Diagramm mit einem Tag des Jahres von 100 bis 180 auf der x-Achse und einem mittleren Rot:Fernrot-Verhältnis von 0 bis 1.2 auf der y-Achse. Die Werte von RIRI und CANESTRA Face mit und ohne Streuung haben von Tag 1 bis 120 ein Plateau um einen Mittelwert von 140 und fallen dann ab. CANESTRA Organ mit und ohne streuende Mittelwerte fallen bald nach Tag 12 und bleiben bis Tag 180 niedrig.
Die frühe Abnahme des Rot:Fernrot-Verhältnisses, die durch die CANESTRA-Organ-Methoden erzeugt wird.

Interessanterweise hatte die Einbeziehung der Streuung keinen Einfluss auf das Rot:Fernrot-Verhältnis für Simulationen, die mit dem CANESTRA-Orgelmodell durchgeführt wurden, hatte aber einen starken Einfluss auf Simulationen, die mit dem CANESTRA-Gesichtsmodell durchgeführt wurden. Da die Verwendung von Streuung hohe Rechenzeitkosten verursacht, muss ihre Verwendung entsprechend den Genauigkeitsanforderungen der Simulation im Hinblick auf die beobachteten kleinen Unterschiede gewählt werden.

Die Pflanzenmorphogenese, ausgedrückt durch die simulierte Blattstiel- und Internodienlänge, war empfindlich gegenüber der Art des Strahlungsmodells, insbesondere in einem frühen Entwicklungsstadium. Alfalfa, die eine vertikale Wuchsform hat und sich stärker selbst beschattet als horizontal wachsender Klee, war empfindlicher gegenüber Schwankungen des Rot:Dunkelrot-Verhältnisses.

Da das Rot:Dunkelrot-Verhältnis einen so großen Einfluss auf Pflanzen hat, ist die Verbesserung des Rahmens, der zu seiner Darstellung verwendet wird, für die Modellierung von Bemühungen zur Steigerung der Ernteerträge von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit zeigte, dass die Modellwahl entsprechend den Bedürfnissen des Forschungsschwerpunkts und der Verfügbarkeit von Rechenressourcen getroffen werden muss. Die Autoren stellen eine zusammenfassende Tabelle bezüglich der Vor- und Nachteile jedes der fünf Modelle und ihrer empfohlenen Verwendung in Bezug auf die aufgeworfenen Forschungsfragen zur Verfügung.

DER ARTIKEL::

Arthur Couturier, Elzbieta Frak, Quentin Rambaud, Gaëtan Louarn, Romain Barillot, Jean-Louis Durand, Abraham Escobar-Gutiérrez, Didier Combes, Wie stark beeinflussen Strahlungstransfermodelle die Rot-Far-Rot-Simulation und die anschließende Modellierung der Pflanzenphotomorphogenese? in silico Plants, 2022, diac013, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac013

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