Licht ist der wichtigste Eingangsparameter für ein Photosynthesemodell. Die Verteilung der Sonnenstrahlung, die von Blättern in einem Pflanzendach abgefangen wird, zu modellieren, ist schwierig, da die räumliche Anordnung der Blätter ein komplexes Feld aus Schatten und Sonnenflecken erzeugt. Herkömmliche Modelle berücksichtigen Sonnenflecken und Schatten auf einzelnen Blättern nicht direkt, sondern verwenden stattdessen einen statistischen Ansatz, um die durchschnittlichen Lichtverhältnisse über dem Blätterdach zu bestimmen, die dann unter anderem in ein Photosynthesemodell eingegeben werden können.
Dreidimensionale (3D-)Modelle, die jedes Blatt im Blätterdach explizit darstellen, sind zu einem zunehmend wertvollen Werkzeug geworden, um die Wechselwirkungen zwischen Pflanzenstruktur und -funktion zu verstehen. In dieser Klasse von Modellen wird das Licht normalerweise über ein ganzes Blatt gemittelt und nicht über das gesamte Blätterdach. Es wird oft implizit davon ausgegangen, dass die Darstellung jedes Blattes im Blätterdach im Vergleich zu herkömmlichen statistischen Modellierungsansätzen eine überlegene Modellleistung bietet.
Professor Brian Bailey und Postdoktorand Eric Kent vom Department of Plant Sciences an der University of California, Davis, demonstrieren dies Die Mittelung über ein ganzes Blatt (wie es normalerweise in 3D-Modellen gemacht wird) kann zu viel größeren Fehlern bei der Photosynthese des gesamten Blätterdachs führen als herkömmliche statistische Modelle. Sie zeigen, dass 3D-Modelle mit Blattauflösung Schatten auf Blättern originalgetreu darstellen müssen, was viel höhere Modellauflösungen erfordert, als sie derzeit von der Community verwendet werden.
„Schatten, die von benachbarten Blättern in einem Pflanzendach geworfen werden, erzeugen extrem große räumliche Gradienten in der absorbierten Strahlung auf der Unterblattskala, die in „blattauflösenden“ Modellen normalerweise nicht vollständig aufgelöst werden. Dieses Versäumnis, scharfe Strahlungsgradienten aufzulösen, kann sich auf andere abhängige biophysikalische Modelle ausbreiten und zu einer dramatisch überhöhten Vorhersage von Flüssen der gesamten Pflanze und des Blätterdachs führen“, sagt Bailey.
Die verwendeten Autoren Helios, ein dreidimensionales Pflanzen- und Umweltmodellierungs-Framework, das zuvor von Bailey erstellt wurde, um zu bestimmen, wie sich Variationen in der Baumkronenstruktur auf die Modellausgaben der Strahlungsabsorption und der Photosynthese der Baumkronen auswirken. Sie berücksichtigten drei Faktoren, die die Baumkronenstruktur beeinflussen:
- Der Winkel der Blätter innerhalb eines Blätterdachs beeinflusst die Lichtabfangung. Blattwinkel wurden gemäß einem von vier theoretischen Verteilungstypen erzeugt.
- Die Größe des Blätterdachs und seine Dichte wirken sich auch auf die Lichtabschirmung aus und werden als Blattflächenindex (LAI) gemessen – das Verhältnis der Blattfläche pro Bodenflächeneinheit. Die Anzahl der Blätter im Blätterdach wurde so gewählt, dass einer von vier LAI-Werten erreicht wurde: 0.5, 1.0, 2.0 und 3.0 (aufgeführt in der Reihenfolge von offen bis dicht).
- Lichtqualität ist ebenso wichtig wie Quantität. Direkte Strahlung ist Licht, das direkt von einem direkten Weg von der Sonne kommt. Diffuse Strahlung ist das Licht, das von Molekülen und Partikeln gestreut wurde. Der Anteil der diffusen Strahlung ist das Verhältnis von diffuser zu globaler Sonnenstrahlung. Pflanzen nutzen diffuses Licht effizienter als direktes Licht. Es wurden getrennte Simulationen mit variierendem Anteil an diffuser Strahlung durchgeführt: 0, 0.1 und 0.2 (aufgeführt in der Reihenfolge von weniger zu mehr diffuser Strahlung).
Sie fanden heraus, dass Baumkronenkonfigurationen, die die Strahlungsentropie reduzieren, empfindlicher auf Fehler bei Schätzungen der Photosynthese der Baumkronen reagieren. Es wurde festgestellt, dass die Fehler bei Überdachungskonfigurationen zunehmen (1) mit erhöhtem LAI, wenn die Überdachung dichter wurde, (2) wenn die Blattwinkelverteilung horizontaler war, wodurch der Anteil der in Richtung der Sonne projizierten Blattfläche zunahm, und (3 ), wenn der Anteil der einfallenden diffusen Strahlung verringert wurde.
Um die Auswirkung der Auflösung auf die Modellausgabe zu testen, manipulierten die Autoren die Anzahl der Unterelemente pro Blatt. Für jede Simulation betrug die Anzahl der Unterelemente pro Blatt: 1, 9, 100 und 225 pro Blatt (niedrige bis hohe Auflösung).
Wenn nur ein Element pro Blatt verwendet wurde (dh Auflösung als ganzes Blatt), waren die Fehler in der Photosynthese sehr hoch (> 100 %). Die Fehler nahmen exponentiell ab, wenn die Anzahl der Elemente pro Blatt erhöht wurde.
„Wir glauben, dass diese Ergebnisse die Forscher ermutigen werden, die Auswirkungen der Unterblattauflösung auf Modellfehler genauer zu betrachten. Obwohl wir keine bestimmte Auflösung empfehlen, da diese je nach Pflanzenmodell und Baumkronengeometrie variieren wird, wird sie wahrscheinlich zu einer Erhöhung der Modellauflösung im Vergleich zur derzeitigen gängigen Praxis führen“, sagt Bailey.
FORSCHUNGSARTIKEL:
Brian N Bailey, Eric R Kent, Über die Auflösungsanforderungen für die genaue Darstellung der Wechselwirkungen zwischen der Struktur und Funktion des Pflanzendachs in dreidimensionalen Blattauflösungsmodellen, in silico Plants, 2021;, diab023, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab023
