Der Klimawandel wird die Verfügbarkeit von Ressourcen verändern und die Anlagenleistung beeinflussen. Eine Möglichkeit, wie Pflanzen auf diese Veränderungen reagieren, ist die Veränderung des Phänotyps (d. h. der Merkmale).. Die Fähigkeit einzelner Genotypen, unterschiedliche Phänotypen zu produzieren, wenn sie einzigartigen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wird als phänotypische Plastizität bezeichnet. Das Verständnis von Plastikreaktionen ist entscheidend für die Vorhersage und Bewältigung der Auswirkungen des Klimawandels auf Pflanzen. Die computergestützte Pflanzenmodellierung bietet Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Umwelt und die daraus resultierende phänotypische Plastizität.
Dr. Romain Barillot und Kollegen, Forscher am Französischen Nationalen Institut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt (INRAE), verwendeten ein Computermodell, um die Prozesse zu untersuchen, die der Sprossmorphogenese zugrunde liegen – der biologische Prozess, der dazu führt, dass Sprossen ihre Form entwickeln.
Typischerweise produziert Weizen viele Zweige (dh Halme), aber Pflanzen, denen die Gene fehlen, die die Verzweigung kontrollieren, weisen einen Monoculm-Phänotyp auf. Die Verwendung von Monoculms ermöglicht es den Forschern, sich auf die Simulation der Plastizität des Blattwachstums zu konzentrieren, ohne die mutmaßlichen Regeln des Auflaufens der Triebe berücksichtigen zu müssen. Aus diesem Grund haben die Autoren angepasst CN-Weizen, ein mechanistisches Modell, das die Sprossmorphogenese und den Metabolismus von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) auf Organebene vollständig in eine dreidimensionale Darstellung der Pflanzenarchitektur integriert, um das Wachstum von Monoculms zu simulieren.
Laut Barillot und Kollegen „wird die Blattplastizität in früheren Grasmodellen anhand empirischer Daten definiert, was unsere Fähigkeit einschränkt, die Reaktion von Pflanzen auf die breite Palette neuartiger Wachstumsbedingungen zu untersuchen, die aufgrund des Klimawandels vorhergesagt werden. Einzigartig an CN-Wheat ist, dass es explizit die Rolle der Kohlenstoff- und Stickstoffökonomie der gesamten Pflanze im Zusammenspiel mit den Umweltbedingungen berücksichtigt. Das Modell nutzt Rückkopplungsschleifen zwischen der Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff und Reaktionen auf Metabolitenkonzentrationen, um die Morphogenese voranzutreiben, was es uns ermöglicht, die Reaktion von Pflanzen, die in einer Vielzahl von Umgebungen wachsen, mechanistisch zu untersuchen.“
Die Autoren verwendeten den modifizierten CN-Weizen, um zu untersuchen, wie die Morphogenese unter einer Vielzahl von Wachstumsbedingungen die Plastizität wichtiger Blattmerkmale beeinflusst. Simulationen wurden mit Pflanzen durchgeführt, die unter einer Reihe von interagierenden Pflanzdichten, N-Konzentrationen im Boden und einfallender photosynthetisch aktiver Strahlung wuchsen, die das für die Photosynthese verfügbare Licht ist. Die Autoren bewerten dann die Größe der Pflanze, die Biomasse, die spezifische Blattfläche und den Stickstoffgehalt.
Die Autoren fanden heraus, dass das Modell eine realistische phänotypische Plastizität simulierte, um Lichtverfügbarkeit und N-Düngung gegenüberzustellen. Beispielsweise simulierte das Modell als Reaktion auf einen zunehmenden PAR-Einfall auf Gesamtpflanzenebene einen abnehmenden Anteil der Trockenmasse, der den Wurzeln zugeordnet ist (Abb. 1), und einen schnelleren Blattaufgang und auf Blattebene dicker und breiter Blätter (Abb. 2). Als Reaktion auf die zunehmende N-Konzentration im Boden simulierte das Modell außerdem auf der Ebene der Gesamtpflanze eine abnehmende Spross-Wurzel-Trockenmasse (Abb. 1) und einen schnelleren Blattaustrieb sowie auf Blattebene eine zunehmende Dicke, Breite und Breite Länge (Abb. 2).
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Integration von Pflanzenfunktionen auf Organebene als emergente Eigenschaft die phänotypische Plastizität von Pflanzen unter kontrastierenden Licht- und Stickstoffbedingungen simulieren kann.
Barillot schließt ab: „CN-Wheat bietet eine originelle und explizite Beschreibung der Prozesse, die der Morphogenese zugrunde liegen, was neue Möglichkeiten bietet, die phänotypische Plastizität von Pflanzen mit ihrem C- und N-Stoffwechselstatus an dem Ort und zu der Zeit zu verknüpfen, an dem Merkmale gebildet werden. Dieses einzigartige Integrationsniveau macht CN-Wheat zu einem guten Werkzeug, um die Funktionsweise von Pflanzen in kontrastierenden Umgebungen zu untersuchen, und eröffnet neue Möglichkeiten, um Genotyp-Umwelt-Interaktionen zu berücksichtigen.“
DER ARTIKEL::
Marion Gauthier, Romain Barillot, Bruno Andrieu, Simulation der phänotypischen Plastizität von Gräsern als aufkommende Eigenschaft von Reaktionen der Wachstumszone auf Kohlenstoff- und Stickstoffmetaboliten, in silico Plants, 2021, diab034, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab034
Dieses Manuskript ist Teil von in silico Plant's Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.
