Eine Herausforderung für die Pflanzenmodellierung besteht darin, die Variation des Phänotyps, die physische Form und den Zeitpunkt der Entwicklung anhand eines stabilen Regelwerks zu erfassen. Pflanzen können als eine Reihe von Bausteinen, Phytomeren, betrachtet werden. Phytomere sind ein Blatt und ein Praktikant von, eine Stängellänge, die von einem Blatt zum nächsten verläuft. Tatsächlich wiederholen Phytomere die Pflanze. Wenn Sie modellieren können, wie Pflanzen Phytomere bilden, dann haben Sie den Anfang, die Entwicklung einer Pflanze zu modellieren.

Modelle haben angenommen, dass die gesamte Sprossentwicklung von der Blatterscheinungsrate geleitet wurde, und dies hängt von der thermischen Zeit ab. Je wärmer es ist, desto kürzer dauert es, bis die Blätter erscheinen. Vidal und Andrieu haben sich das angeschaut und ein Problem gefunden. Das Aussehen der Blätter ergibt sich tatsächlich aus der Blattverlängerung, daher ist dies kein direkter Weg, um die Triebentwicklung zu charakterisieren. Sie haben mit Mais an einem überarbeiteten Regelwerk gearbeitet, um die Pflanzenmodellierung zu verbessern.

„Mais ist auch sowohl eine Modellpflanze in der Pflanzenwissenschaft als auch eine wichtige Nutzpflanze. Das bedeutet, dass viele Daten aus der Literatur verfügbar sind und umgekehrt neue Daten/Wissen für eine große Community interessant sind“, sagt Co-Autor Bruno Andrieu. Er fügt auch hinzu, dass es einige Eigenschaften hat, die es für die Überprüfung von Modellen sehr nützlich machen. "Es ist eine große Pflanze, so einfach zu sezieren und die Größe der Blätter oder Internodien ganz am Anfang ihres Wachstums zu messen."

Vidal und Andrieu haben sich entwickelt Arbeit von Junqi Zhu und Kollegen, (zu denen Bruno Andrieu gehörte). Diese Arbeit legte die Prinzipien der Beziehung zwischen thermischer Zeit und Blattaufgang dar. „Unter den bestehenden Modellen, die auf Koordinationsregeln basieren, ist das von Zhu et al. (2014) für Mais ist das umfassendste, da es das einzige ist, das die vegetativen und reproduktiven Stadien der Pflanzenentwicklung abdeckt und sowohl die Blatt- als auch die Stammverlängerung berücksichtigt“, schreiben Vidal und Andrieu.

Der Schlüssel ist der Fortschritt bei der Entwicklung von Phytomeren. Die Pflanze entwickelt sich, indem sie diese Einheiten während ihrer Entwicklung hinzufügt, und die Entwicklung von Phytomeren folgt regelmäßigen Mustern. Ein gutes Modell wird in der Lage sein, diese Muster als aufstrebende Eigenschaften zu generieren. Wenn Ihnen das gelingt, werden Sie einige der kritischen Mechanismen beim Anbau einer Pflanze identifizieren. Vidal und Andrieu haben sich diese sich wiederholenden Schritte angeschaut und eine wichtige Annahme in ihrem Modell umgedreht. „Sie können Pflanzen sehen, die regelmäßige Rhythmen produzieren, als ob sich die Pflanzen wie eine Uhr verhalten würden. In üblichen Modellen wird dies so formalisiert, dass Pflanzen einer Uhr „gehorchen“. Mit diesem Modell schlagen wir jedoch vor, dass der Pflanzenkörper selbst eine Uhr ist. Interessant ist, dass die Pflanzen, indem sie sich wie eine Uhr verhalten, die schönen Größenmuster produzieren“, sagt Andrieu.

Während das Modell noch nicht prädiktiv ist, schreiben Vidal und Andrieu: „…mehrere Eingaben, wie Blatt-, Internodien- und Mantel-RERs [relative Dehnungsraten], könnten als Variablen betrachtet werden, die vom Pflanzenstatus gesteuert werden, anstatt Eingabeparameter zu sein.“ Dies wären Faktoren, die von Nährstoffen und Wasser angetrieben werden, sagte Andrieu.

Während Mais die Modellpflanze ist, sagt Andrieu, dass dieser Ansatz auf andere Gräser angepasst werden kann. „Wenn Sie sich vorstellen, dass das Modell eine Reihe von Mechanismen zusammensetzt, dann haben sich die meisten von ihnen für verschiedene Grasarten bewährt. Und ich kenne kein Beispiel, wo einer der Mechanismen abgelehnt worden wäre. Mais ist heute einfach die Art, für die die vollständigsten Beweise gesammelt wurden.“

„Bei den meisten Gräsern wurde die Koordination bisher nur in frühen Wachstumsstadien und mit Fokus auf die Blätter untersucht, während bei Mais Daten für den gesamten Wachstumszyklus einschließlich der Internodien erhoben wurden. Wir verfügen über unveröffentlichte Daten zu Weizen für den gesamten Zyklus, die mit denen von Mais übereinstimmen. Die meisten Grasarten folgen den meisten Regeln. Dies lässt Raum für Abweichungen an einigen Stellen, die noch identifiziert werden müssen.“

Das Modell verwendet ein gemeinsames Merkmal für Gräser, das sie mit anderen Monokotyledonen teilen, sagt Andrieu. „Eine Besonderheit bei Gräsern und Monokotyledonen ist, dass junge Organe versteckt in einem Pseudostamm wachsen. Die Emergenz tritt ziemlich spät in ihrer Entwicklung auf.“

„Emergenz ist ein Schlüsselereignis in unserem Modell. Es löst große Veränderungen im Wachstumsverhalten aus. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass Emergenz einer sofortigen dramatischen Veränderung der vom Gewebe wahrgenommenen Umgebung entspricht, in Bezug auf Licht, Feuchtigkeit, die Zusammensetzung der gasförmigen Umgebung, mechanische Belastungen und so weiter.“

„Bei Zweikeimblättrigen gibt es keinen Pseudostamm, sodass wachsende Organe in einem viel früheren Stadium ihrer Entwicklung der äußeren Umgebung ausgesetzt sind.“

Während dieses Modell also für Monokotylen gilt, kann es nicht einfach auf ein Dikotylen-Modell übertragen werden. „Zweikeimblättrige produzieren auch regelmäßige Rhythmen und Muster, aber sie sind vielfältiger. Das Modell eines Monokotylens ist sicherlich etwas, das man im Auge behalten sollte, aber es wäre mehr als eine einfache Umsetzung.“

Andrieu sagt, dass der Mechanismus, der die Länge der Blätter und Internodien entlang des Triebs auswertet, für andere Modellbauer nützlich sein wird. „Eine der Implikationen ist, wie ein Phytomer von den Wachstumsbedingungen beeinflusst wird, hängt nicht nur von den Bedingungen ab, die das Phytomer wahrnimmt, sondern auch von der Größe des Quirls, in dem es wächst. Daher sollte die Größe des Quirls zu den Variablen gehören gesammelt und in die Analyse der Antworten einbezogen werden. Einfache Vergleiche zwischen verschiedenen Bedingungen können nur zwischen Pflanzen mit der gleichen Wirteldimension angestellt werden.“

„Eine verwandte Implikation ist, dass ein Stress über einen langen Zeitraum zu einem kleineren Wirtel führt, was wiederum zu kleineren Blättern oder Internodien führt, selbst wenn der Stress aufgehört hat. Der Wirbel ist eine Art Gedächtnis, das das Wachstumspotential junger Organe beeinflusst.“

Die durch Stress erzeugte Erinnerung ist ein Beispiel dafür, wie die „Uhr“ der Pflanze die Geschwindigkeit ihres metaphorischen Pendels ändert. „Wenn wir zur Modellierung gehen, zeigt dies die Einschränkung, die sich aus dem sehr häufig verwendeten Ansatz ergibt, in dem es eine gibt a priori Potenzielle Größe von Organen, bei denen Stress wirkt, indem er das Wachstum unter das Potenzial reduziert. Die potentielle Größe wird von der Anlage dynamisch aufgebaut. In Anbetracht einer a priori Potenzial ist sicherlich eine wichtige Quelle für Ungenauigkeiten aktueller Modelle bei der Betrachtung von Reaktionen auf Stress.“

Dieser Unterschied, dass die Pflanze ihr eigenes Potenzial definiert, während sie wächst, ist ein Thema, das Andrieu fasziniert. „Ein interessantes Forschungsprojekt wäre es, diese Idee vereinfacht in Pflanzenmodelle zu integrieren. In der Tat, indem Pflanzen nicht so beschrieben werden, dass sie ein vordefiniertes Potenzial haben, dem sie zu folgen versuchen, sondern dass sie ihr Potenzial dynamisch aufbauen. Das würde Modelle flexibler und originalgetreuer zu echten Pflanzen machen.“