A luz varia conforme o ângulo do sol. Ela reflete nas nuvens e nas folhas, dispersando-se e reduzindo sua intensidade. Um gradiente se forma à medida que a luz penetra na copa das árvores. A interceptação da luz pelas folhas é crucial para determinar a produtividade das plantas por meio de modelagem computacional, mas descrevê-la em detalhes não é tarefa simples.
Existem duas abordagens para simular as interações luz-planta. Modelos de luz unidimensionais (1D) são ferramentas simples e robustas para estimar a interceptação de luz de dosséis homogêneos. No modelo mais simplificado, a luz vem de uma única fonte aérea; ângulo solar não é considerado. A extinção de luz através do dossel é incorporada neste modelo.
Modelos tridimensionais (3D) mais complexos possibilitam a captura de feedbacks entre a arquitetura do dossel e o ambiente de luz. Esses modelos capturam mudanças de ângulo solar ao longo do dia e múltiplas fontes de luz difusa. Eles incorporam raios de luz que interagem com copas virtuais 3D, refletindo nas superfícies das plantas e se difundindo à medida que se movem pela copa. Com essa complexidade vem um aumento nos requisitos computacionais e intratabilidade analítica que restringem a customização.
Em um novo artigo publicado em in silico Plants, Yi-Chen Pao da Leibniz Universität Hannover e seu co-autors examinam as compensações entre simplicidade e precisão dos métodos, simulando a interação luz-planta e sua influência na aclimatação fotossintética de longo prazo no nível da folha e no acúmulo de matéria seca no nível da planta. Os autores compararam dois métodos: um modelo de luz 1D e um modelo de traçado de raio 3D dentro de um modelo dinâmico existente de pepino de efeito estufa, construído em uma plataforma de modelagem 3D chamada GroIMP (veja a figura 1).
Primeiro, os autores precisavam coletar os valores de entrada para executar os modelos. A maioria deles foi coletada experimentalmente. Plantas de pepino foram cultivadas em estufas para avaliação do modelo. Interceptação de luz, partição de biomassa, fotossíntese e arquitetura da planta foram medidos. Medições adicionais para a entrada do modelo foram radiação fotossinteticamente ativa, temperatura, suprimento de nitrogênio e umidade relativa na estufa.
Um valor necessário para simular a interação luz-planta é o coeficiente de extinção de luz k, que mostra quanta luz penetra pelo dossel e como ela diminui em direção ao solo. k varia dependendo da posição solar, ângulo da folha e aglomeração, bem como do desenvolvimento e configuração da copa. Enquanto o valor de k necessário para ser inserido no modelo 1D, o modelo 3D é capaz de calcular os valores de k in silico.
Determinando a variação de k experimentalmente ao longo da estação, pois o aumento da área foliar do dossel pode ser difícil. Para determinar quanto erro seria introduzido na simulação usando uma k valor, os autores testaram a sensibilidade das previsões do modelo 1D para o k valor usado. A simulação do modelo 1D foi executada usando diferentes valores constantes para k. A produção era altamente dependente k – uma diferença de 0.2 em k resultou em até 27% de perda na precisão da matéria seca da parte aérea (ver figura 2).
Para superar esse obstáculo, os autores usaram o modelo de luz 3D para simular cenários artificiais de configurações de dossel para estimar k para uso no modelo de luz 1D.
Os autores então executaram os dois modelos e compararam suas precisões preditivas. Eles descobriram que a matéria seca da parte aérea e as estimativas fotossintéticas usando o modelo 1D e 3D eram comparáveis aos dados medidos (veja a figura 3).
De acordo com Pao, “esses resultados sugerem que, com a ajuda da estrutura da planta 3D e do modelo de luz, o modelo de luz 1D foi capaz de fornecer estimativas e previsões eficientes para fins agronômicos com redução da demanda computacional”.
LEIA O ARTIGO:
Yi-Chen Pao, Katrin Kahlen, Tsu-Wei Chen, Dirk Wiechers, Hartmut Stützel, Como a estrutura importa? Comparação da fotossíntese do dossel usando modelos de luz uni e tridimensionais: um estudo de caso usando dosséis de pepino em estufa, in silico Plants, 2021; diab031, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab031
Este manuscrito faz parte do in silico Plant's Edição especial do Functional Structural Plant Model.
