Simule la relación rojo:rojo lejano en su modelo

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La luz es un factor esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas en la producción agrícola. Las plantas absorben longitudes de onda rojas a través de pigmentos fotosintéticos, mientras que las longitudes de onda rojas lejanas son reflejadas y transmitidas por las hojas verdes de las plantas vecinas. Esto reduce la relación rojo:rojo lejano dentro del dosel.

Las plantas son sensibles a la relación rojo:rojo lejano: las concentraciones más bajas inducen cambios desde el nivel fenotípico hasta el molecular, incluida la altura de la planta, la morfología de la hoja, la biomasa, la ultraestructura del cloroplasto y las propiedades fotosintéticas. Estos efectos permiten que la planta capture más energía luminosa, lo que maximiza el crecimiento y la aptitud de la planta en rodales abarrotados. A pesar del importante papel que juega la relación rojo:rojo lejano en el desarrollo de las plantas, la evaluación de cómo afecta la morfogénesis dentro del dosel de una planta ha tenido un éxito limitado, porque no difícil de medir. La clave para resolver este misterio es utilizar modelos de plantas estructurales funcionales para evaluar cómo los diferentes modelos de transferencia radiativa afectan la simulación de la relación rojo:cuarto y el crecimiento de la estructura de la hoja resultante utilizando modelos informáticos.

Arthur Couturier, estudiante de doctorado en el Instituto Nacional de Investigación para la Agricultura, la Alimentación y el Medio Ambiente (INRAE) de Francia, y sus colegas publicaron recientemente un artículo en en silico Plants, que presenta nuevos métodos basados ​​en modelos para describir la variabilidad espacial y temporal de la relación rojo:rojo lejano. Los autores evaluaron diferentes métodos de modelado de luz para determinar cuál era el más preciso.

Los métodos evaluados por los autores fueron:

1. el enfoque del modelo ligero,
2. el método de intercambio radiativo y
3. la escala considerada para interceptar los rayos de luz.

"Simulamos el enfoque de modelado de luz de dos maneras", explica Couturier. “El método del medio nublado representa el dosel con una serie de celdas 3D y luego calcula la transferencia radiativa dentro de cada celda individual. Este enfoque no tiene en cuenta completamente el impacto de la posición y orientación de los órganos individuales. El modelo RIRI utilizó este enfoque. El método de radiosidad calcula la transferencia radiativa considerando la geometría de cada elemento de follaje individual y requiere un tiempo de cálculo significativo. El modelo CANESTRA utilizó este enfoque”.

Los métodos de intercambio de radiación considerados fueron sin que Dispersión (solo se considera la intercepción directa de la luz) y Con Dispersión de la luz en todas direcciones después de ser interceptada por los fitoelementos. Si bien la dispersión de la luz es representativa de lo que ocurre dentro del dosel, es computacionalmente intensiva. Por lo tanto, es valioso evaluar cuánto impacto tiene sobre la morfogénesis.

Se consideraron tres escalas de interceptación de rayos de luz:

1. La escala de 'órgano' se calculó a partir de la irradiación de la superficie del órgano en consideración,
2. la escala de "cara" calculada a partir de la irradiancia interceptada por la superficie horizontal inferior del vóxel donde se encuentra el órgano de interés, y
3. la escala de 'vóxel' calculada a partir de la irradiación de un vóxel visto utilizando un enfoque de turbidez media.

Luego, los autores realizaron simulaciones utilizando los cinco métodos integrados en el modelo Virtual GrassLand existente para determinar el crecimiento de pecíolos y entrenudos. El estudio se centró en dos especies de plantas con una arquitectura contrastante: la alfalfa, que crece verticalmente, y el trébol blanco, que crece horizontalmente a lo largo del suelo.

Los cinco métodos produjeron diferentes proporciones medias de rojo:rojo lejano experimentadas por los entrenudos y pecíolos dentro de la copa de los árboles durante la temporada de crecimiento. Como se mencionó anteriormente, la relación es difícil de medir y, por lo tanto, es difícil determinar qué método proporciona los valores más realistas. Sin embargo, la disminución temprana en la relación rojo:rojo oscuro producida por los métodos de CANESTRA Organ indica que pueden detectar la presencia de órganos de plantas adyacentes en las primeras etapas de desarrollo, mientras que los otros tres métodos solo más tarde cuando las hojas están presentes, muestran una reducción. relación .

Curiosamente, la inclusión de la dispersión no afectó la relación rojo:rojo lejano para las simulaciones realizadas con el modelo de órgano CANESTRA, pero tuvo un fuerte impacto en las simulaciones realizadas con el modelo facial CANESTRA. Dado que el uso de la dispersión provoca altos costos de tiempo de cálculo, su uso debe elegirse de acuerdo con los requisitos de precisión de la simulación en vista de las pequeñas diferencias observadas.

La morfogénesis de la planta, expresada por la longitud simulada del pecíolo y del entrenudo, fue sensible al tipo de modelo de radiación, particularmente en una etapa temprana de desarrollo. La alfalfa, que tiene un hábito de crecimiento vertical y se autosombrea más que el trébol horizontal, fue más sensible a las variaciones en la relación entre rojo y zanahoria.

Debido a que la relación rojo:rojo lejano tiene un impacto tan grande en las plantas, mejorar el marco utilizado para representarlo es fundamental para modelar los esfuerzos para aumentar el rendimiento de los cultivos. Este trabajo mostró que la elección del modelo debe hacerse de acuerdo con las necesidades del enfoque de investigación y la disponibilidad de recursos computacionales. Los autores proporcionan un cuadro resumen sobre las ventajas y desventajas de cada uno de los cinco modelos y su uso recomendado en relación con las preguntas de investigación planteadas.

LEER EL ARTÍCULO:

Arthur Couturier, Elzbieta Frak, Quentin Rambaud, Gaëtan Louarn, Romain Barillot, Jean-Louis Durand, Abraham Escobar-Gutiérrez, Didier Combes, ¿Qué tan fuertemente afectan los modelos de transferencia radiativa a la simulación de rojo: rojo lejano y el posterior modelado de la fotomorfogénesis de las plantas? plantas in silico, 2022, diac013, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac013

La publicación Simulating red:far red ratio in your model apareció primero en Botany One.

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