Wie wird Kohlenstoff in einer Pflanze allokiert? Die Antwort auf diese Frage könnte von der Skala abhängen, die Sie betrachten. In der Vergangenheit hat das bedeutet, dass die Antwort in gewisser Weise davon abhängt, wie Sie die Frage stellen. MuSCA, ein Multiskalen-Quelle-Senke-Modell zur Kohlenstoffallokation hergestellt von Francesco Reyes und Kollegen, ist ein neues Modell, das in mehreren Maßstäben arbeiten kann.
Warum brauchen Sie ein Modell, wenn Sie sich eine echte Anlage ansehen können? Wie Francesco Reyes erklärte, wird das Modell verwendet, um zu sehen, ob Sie verstehen, was in einer Anlage vor sich geht. „Anlagenmodelle sind vereinfachte Darstellungen einiger Anlageneigenschaften oder Funktionsweisen. Der Umfang dieser Modelle kann darin bestehen, zu überprüfen, ob unser Wissen über die Funktionsweise von Pflanzen mit der Realität übereinstimmt, und die Reaktionen von Pflanzen als Reaktion auf variable Umweltbedingungen und Management vorherzusagen. Wenn Sie eine Pflanze in einem Modell darstellen, können Sie die Pflanze mit einer höheren oder niedrigeren Auflösung beschreiben. Die Pflanzenstruktur kann grob beschrieben werden als zB eine Abfolge der Hauptachse oder detaillierter, zB indem jedes Blatt, jedes Internodium oder jede Frucht identifiziert wird.“
„Trotz mehrerer Kohlenstoffallokationsmodelle, die es in der Literatur gibt, repräsentiert jedes von ihnen die Pflanzenstruktur auf andere Weise. Nun werden Pflanzenmodellergebnisse sowohl durch die Art (vereinfacht die „Auflösung“), mit der die Pflanzenstruktur beschrieben wird, als auch durch die Beschreibung der physiologischen Prozesse beeinflusst. Das von uns erstellte mehrskalige Kohlenstoffallokationsmodell ermöglicht es uns, die Auswirkungen dieser beiden Faktoren zu entwirren. Dies liegt daran, dass es uns ermöglichen wird, denselben Satz physiologischer Regeln zu verwenden, während wir dieselbe Pflanze in unterschiedlichen räumlichen Maßstäben beschreiben, die vom Benutzer definiert werden.“
Der Maßstab kann eine Rolle spielen, da Details Rechenzeit kosten. Dr. Reyes sagte, dass MuSCA es dem Benutzer ermögliche, besser einzuschätzen, wie viele Details er benötige. „Die Pflanzentopologie wird basierend auf vom Benutzer bereitgestellten Regeln neu diskretisiert, um Pflanzenmetamere in gröbere Gruppierungen (z. B. Hauptachse oder Triebe, ….) zu gruppieren. Darauf folgt eine Neuberechnung der Entfernungen zwischen den neu definierten Pflanzenkomponenten, die zur Berechnung der Kohlenstoffbewegung von den Blättern zu den anderen Organen verwendet werden.“
Das Wechseln zwischen einer Skala und einer anderen ist nicht einfach, und das Modell erforderte einiges an Arbeit, um es zuverlässig zu machen. „Die ersten Ergebnisse waren ganz anders als unsere endgültigen. Es hat viel Arbeit gekostet, ein Modell zu erhalten, das die Kohlenstoffallokation auf verschiedenen räumlichen Skalen konsistent darstellt. Die Wechselwirkungen zwischen der Diskretion einer Anlagentopologie und Kohlenstoffflussregeln sind nicht trivial.“
Das Ergebnis der Abstimmung bedeutet, dass das Modell so eingestellt ist, dass es eine bestimmte Apfelsorte repliziert, aber es ist flexibel, sagte Dr. Reyes. „Das Modell ist für die Apfelbaum-Fuji-Sorte kalibriert, aber seine Struktur und Module sind nicht artspezifisch. Es reicht aus, einige Module (hauptsächlich maximale Wachstumskurven und Photosynthese) neu zu kalibrieren, um es an eine andere Baumart anzupassen. Das Modell ist völlig unabhängig von der einzelnen Anlage. Die individuelle Pflanzenstruktur, Frucht- und Blattverteilung sind Eingaben, und das Modell verarbeitet sie, um eine Ausgabe zu erzeugen.“
Während das Modell in erster Linie zu Forschungszwecken dient, kann es verwendet werden, um Fragen zum Einfluss der Verteilung von Früchten auf einem Baum auf ihre Erntegröße zu beantworten, was für einen Züchter sehr wichtig sein kann.
„Im weiteren Sinne lässt uns dieses Modell über die grundlegende Tatsache nachdenken, dass kein Modell jemals vollständig korrekt ist, da jedes Modell eine Vereinfachung der Realität ist“, sagte Dr. Reyes. „Falsche oder übermäßige Vereinfachungen der Realität in einem mentalen (oder mathematischen) Modell können zu erheblichen Verzerrungen in der Art und Weise führen, wie wir die reale Welt weiter interpretieren und mit ihr interagieren.“
„Dieses Modell kann der Forschungsgemeinschaft helfen, Richtlinien für die Darstellung von Pflanzenstrukturen im Quell-Senke-Pflanzenmodellierungsbereich zu definieren. Fragen wie die Wechselwirkung zwischen der spezifischen Pflanzentopologie und der Wahl einer bestimmten räumlichen Skala können ebenfalls zu relevanter Forschung führen.“
Die Forschung könnte jedoch auch weit über die Botanik hinaus relevant sein, sagte Dr. Reyes. „Der Mehrskalen-Formalismus zur Neudiskretisierung der Anlagentopologie und zur Abschätzung von Abständen zwischen topologischen Komponenten, hier für die Kohlenstoffbewegung verwendet, kann auch in anderen Bereichen (z. B. Logistik?) verwendet werden, da er sich auf eine allgemeine topologische Struktur bezieht und nicht unbedingt zu einer Pflanze.“
„Es ist verrückt, durch eine theoretische Pflanzenstruktur zu stolpern, die von nichtlinearen mathematischen Regeln bestimmt wird, während man sich fragt, ob sich die Pflanze in der Realität wirklich genauso verhalten würde“, sagte Dr. Reyes. Andere Forscher, die mit dem Modell arbeiten möchten, sollten dies mit ein wenig Training tun können, fügte er hinzu.
