Setzen Sie eine Mathematikerbrille auf und betrachten Sie eine Pflanze. Ziel der Functional-Structural Plant Modeling (FSPM) ist es, das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen in Modulen (z. B. Organen oder Organgruppen) in Wechselwirkung mit ihrer Umwelt zu verstehen.

Drs. Gaëtan Louarn und Youhong Song von der Anhui Agricultural University (China) die Entwicklung der FSPM über zwei Jahrzehnte betrachtet, beitragen zu ein neues Sonderheft of Annals of Botany Tagebuch. Die Wissenschaftler diskutierten Errungenschaften, große Herausforderungen und zeigten neue Horizonte und Chancen für die FSPM in der Zukunft auf. Die Forscher argumentieren, dass FSPM sein volles Potenzial in Bezug auf die Skalierung von Modellen von einer einzelnen Pflanze auf die Modellierung ganzer Gemeinschaften sowohl für unterirdische als auch für oberirdische Organe noch ausschöpfen muss. Viele frühere Botany One-Artikel haben aktuelle Studien mit FSPM hervorgehoben, wie z Simulation des Wachstums von Mangobäumen und Vorhersage seines Ertrags, Reiswurzelwachstum als Reaktion auf Düngemittel und Baumwachstum in Bezug auf Bodenwasserdefizit und Kohlenstoffassimilation.

Der FSPM-Ansatz stammt aus James White im Jahr 1979 und nach jahrzehntelanger Erarbeitung der Berechnungsmethoden und Standards, Guédon und Kollegen etablierten 2001 die ersten Methoden zur Simulation „virtueller“ Pflanzen, die auf ihre Umgebung reagieren. Die verschiedenen mechanistischen Modelle basieren auf kohlenstoffgetriebenen trophischen Regulationen oder der Integration von nicht-trophischen Signalen.

FSPMs integrieren Modelle von der Gen- bis zur Gemeinschaftsebene und ihre Wechselwirkungen mit abiotischen Umgebungen. Quelle: Louarn und Song, 2020

Während FSPM zunächst für die Verknüpfung von Pflanzengenotyp und Phänotyp befürwortet wurde, sind noch viel mehr Fortschritte erforderlich. Da FSP-Modelle sehr komplex und die Entwicklung von Plattformen kostspielig ist, sind sie nicht oft Open Source. Louarn und Song betonen die Notwendigkeit einer besseren Kommunikation und eines stärkeren Datenaustauschs sowie der Skalierung der Modelle von einzelnen Pflanzen auf Pflanzengemeinschaften. Die Modelle könnten simulieren, wie Pflanzen miteinander interagieren, was äußerst nützlich sein könnte, um ganze Felder oder Obstplantagen zu modellieren.

Einige der hervorgehobenen neueren Studien, die von Louarn und Song besprochen wurden, handeln von Lampenplatzierung für Tomaten in Gewächshäusern (Links), verschiedene Erziehungssysteme von Rebpflanzen (Mitte) und Multi-Scale Carbon Allocation Model (MuSCA) für Apfelbäume (Recht).

„Das Interesse von FSPMs an der Ökologie geht über die Dynamik von Pflanzengemeinschaften hinaus und befasst sich auch mit Fragen der Wechselwirkungen von Pflanzen mit Organismen auf verschiedenen trophischen Ebenen in Ökosystemen, einschließlich Wirt-Pathogen-Systemen, Pflanzen-Insekten-Beziehungen und Reaktionen von Pflanzengemeinschaften auf Herbivorie. Obwohl weniger entwickelt, könnten solche Modelle in Zukunft dazu beitragen, unser Verständnis der integrierten pflanzlichen Reaktionen auf kombinierten biotischen und abiotischen Stress zu vertiefen“, schrieben Louarn und Song.

„Als relativ junge, multidisziplinäre Gemeinschaft muss die FSPM-Gemeinschaft noch herausfinden, wie sie die Falle vermeiden kann, in ihren Ansätzen zu komplex zu sein und gleichzeitig eine begrenzte Allgemeingültigkeit zu bieten“, schlussfolgern die Autoren.