Viele Teile der Welt erleben bereits eine Rekorddürre. Die globale Erwärmung wird die Intensität und Häufigkeit von Dürren in Zukunft erhöhen. Dürre hat sich gezeigt Reduzieren Sie die Erträge verschiedener Kulturen um 30-92% abhängig vom Zeitpunkt des Beginns der Dürre und dem Stadium der Ernte.

Die Untersuchung des Flusses und der Funktion von Wasser in Pflanzen und ihrer Umgebung ist der Schlüssel zum Verständnis der Auswirkungen von Dürre. Pflanzenmodelle sind leistungsstarke Werkzeuge, die detailliertes Wissen über pflanzenphysiologische Prozesse erfassen und verknüpfen können. Trotz der wichtigen Rolle des Wassers bei der Pflanzenfunktion simulieren viele Modelle keine Wasserhydraulik (dh Bewegung).

Dr. Tom De Swaef, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Flanders Research Institute for Agriculture, Fisheries and Food (ILVO) in Belgien und Kollegen überprüfen Sie die aktuelle und potenzielle Verwendung der Wasserhydraulik in Rechenmodellen in einem neuen Artikel, der von veröffentlicht wurde in silico Asphaltmischanlagen.

Dieser Artikel beginnt mit einer leicht verständlichen Einführung in die Rolle des Wasserpotentials beim Transport von Wasser durch die Anlage. Das Wasserpotential ist ein Maß für die freie Energie des Wassers; es treibt den Wasserfluss aus dem Boden durch die Pflanze und in die Atmosphäre. Die Einführung enthält grundlegende Gleichungen zur Berechnung des Wasserpotentials in flüssigen und gasförmigen Phasen und Faktoren, die das Wasserpotential beeinflussen (z. B. Temperatur und Pflanzenhöhe). Es gibt auch einen Bericht über die Verwendung unterschiedlicher Terminologie und Einheiten in wissenschaftlichen Gemeinschaften.

Ein Diagramm, das beschreibt, wie Wasser vom Boden in die Wurzeln und den Stamm hinauf zu Blättern und Blüten gelangt. Das Diagramm ist einfach und fett und würde nicht mit einer echten Gefäßpflanze verwechselt werden.
Abbildung 1: Schema des Wasserflusses und der Leitfähigkeit durch eine Pflanze.

Die Autoren tauchen dann ein, wie der Wasserfluss entlang des Transpirationspfads modelliert wird, indem der Pfad in funktionale Einheiten unterteilt wird (siehe Abbildung 1):

  • Erde zu wurzeln – erklärt die grundlegenden Wassertransportmodelle und ihre Entwicklung. Die Diskussion beinhaltet die neuere Entwicklung der Erfassung der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens durch die Modellierung der Eigenschaften der Rhizosphäre und nicht des Bodens.
  • Wurzelepidermis zum Wurzelxylem – beschreibt die Wege des Wassertransports und schließt physiologische Faktoren ein, die die Parameterwerte des hydraulischen Leitwerts und der Osmose beeinflussen können.
  • senkrecht nach innen Xylem – zeigt die Rolle des Xylems und seine Zusammensetzung. Es beschreibt, wie die Überschätzung der hydraulischen Leitfähigkeit aufgrund von Wassertransport in der Zellwandmatrix und Luftblasen im Xylem auftritt.
  • Blatt Xylem zu Verdunstungsstellen (Blatt) – beschreibt anatomische Blattmerkmale, die sich auf die Leitfähigkeit auswirken, und die Verwendung von Modellen zur Bestimmung von Umweltfaktoren, die die hydraulische Leitfähigkeit beeinflussen.

Anschließend untersuchen die Autoren, wie Hydraulik mit anderen pflanzenphysiologischen Prozessen in Modellen wie Phloemtransport, Stomataleitfähigkeit und Pflanzenwachstum verknüpft ist.

Schließlich synthetisieren die Autoren, wie das Wasserpotential als zentrale Modellvariable dienen kann, die mehrere ökophysiologische Mechanismen in Pflanzenmodellen verbindet (siehe Abbildung 2). Jüngste Implementierungen von Hydraulik in großmaßstäblichen terrestrischen Biosphärenmodellen verbesserten ihre Leistung unter wasserbegrenzten Bedingungen, während hydraulische Merkmale neuerer detaillierter funktional-struktureller Pflanzenmodelle neue Möglichkeiten zur Zerlegung komplexer Merkmale für Dürretoleranz eröffnen. Diese Entwicklungen in skalenübergreifenden Modellen verdienen eine kritische Bewertung, um ihr Potenzial für eine breitere Anwendung in funktional-strukturellen Pflanzenmodellen und in Pflanzensystemmodellen zu bewerten, wo Hydraulik derzeit noch fehlt.

Das Wasserpotential ist mit anderen Variablen verbunden, einschließlich Stomataleitfähigkeit, Phloemtransport und Blütenabort.
Abbildung 2: Wasserpotential als zentrale Variable, die pflanzenphysiologische Prozesse verbindet.

Anschließend bewerten sie das Potenzial hydraulisch basierter Modelle zur Identifizierung interessanter phänotypischer Merkmale für die Dürretoleranz. Funktional-strukturelle Pflanzenmodelle und Pflanzensystemmodelle erfassen beide die Auswirkungen dynamischer Umweltbedingungen auf pflanzenphysiologische Mechanismen, die die integrierte Pflanzenreaktion und den daraus resultierenden Phänotyp untermauern. Daher haben beide das Potenzial, zur Identifizierung phänotypischer Merkmale für die Dürretoleranz verwendet zu werden. Dies erfordert jedoch eine genaue Darstellung relevanter physiologischer Mechanismen, die die Hydraulik im Modell beeinflussen, wie zuvor beschrieben.

DER ARTIKEL::

Tom De Swaef, Olivier Pieters, Simon Appeltans, Irene Borra-Serrano, Willem Coudron, Valentin Couvreur, Sarah Garré, Peter Lootens, Bart Nicolaï, Leroi Pols, Clément Saint Cast, Jakub Šalagovič, Maxime Van Haeverbeke, Michiel Stock, Francis Wyffels, Zur zentralen Rolle des Wasserpotenzials bei der Modellierung pflanzenphysiologischer Prozesse, in silico Plants, 2022;, diab038, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab038

Dieses Manuskript ist Teil von in silico Plant's Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.