Os relógios circadianos nas plantas produzem uma estimativa interna de tempo que sincroniza os eventos biológicos com o dia e a noite. Eles desempenham um papel crítico na fisiologia vegetal, crescimento, desenvolvimento e sobrevivência. Portanto, a inclusão de ritmos circadianos em modelos de crescimento de culturas é essencial para resultados de alta fidelidade.
Embora existam modelos de relógio circadiano, eles geralmente são inflexíveis ou resultam em saídas complexas, limitando seu uso em simulações gerais.
O pesquisador de pós-doutorado Edward Lochocki e o fisiologista de plantas de pesquisa do USDA-ARS, Justin McGrath, ambos da Universidade de Illinois, desenvolveram um novo modelo de relógio circadiano que se adapta facilmente a diferentes condições ambientais e produz saídas intuitivas.
Relógios do mundo real usam osciladores físicos, como pêndulos, para manter o tempo, e os autores usaram a mesma abordagem para modelar relógios circadianos com osciladores matemáticos. O modelo incluía dois osciladores que eram controlados pelo início do amanhecer e do anoitecer, que eram capazes de explicar a mudança no comprimento do dia ao longo de um ano.
“Muitos modelos de colheita calculam os horários diários do nascer do sol e a duração do fotoperíodo usando a mecânica celeste, que são representações matemáticas das coordenadas solares usadas para calcular o nascer do sol, o pôr do sol e a duração do fotoperíodo”, diz McGrath. “Embora essa abordagem seja facilmente compreendida e usada diretamente como entrada para outros componentes do modelo, ela não fornece um vínculo intuitivo entre os componentes genéticos e o comportamento da planta. Nosso modelo de oscilador possui componentes facilmente relacionados a componentes genéticos conhecidos do relógio circadiano. Isso permite uma incorporação mais fácil de influências ambientais, como temperatura, alterando a cinética dos osciladores modelados”.
Os autores compararam as datas de floração previstas para a soja semeada ao longo do ano pelo Modelo de desenvolvimento da soja CROPGRO usando seu modelo de relógio oscilador ou mecânica celeste. Eles descobriram que o tempo de floração usando o modelo do relógio oscilador correspondia de perto ao desempenho da mecânica celeste.
Os autores também compararam as datas de floração previstas para a soja semeada ao longo do ano, executando o CROPGRO com seu modelo de relógio oscilador ou dias de grau de crescimento (GDD). Os GDDs usam dias acumulados com temperatura acima do mínimo para prever as transições do ciclo de vida nas plantas. Eles dependem apenas da temperatura e são usados para estimar o desenvolvimento da soja, onde se supõe que os estágios de desenvolvimento ocorram em limites específicos de GDD.
De acordo com Lochocki, “Embora a modelagem dos componentes moleculares do relógio circadiano forneça a maneira mais intuitiva de examinar como as alterações genéticas afetam o comportamento da planta, esse modelo é computacionalmente muito caro para ser resolvido como parte de uma simulação completa de crescimento da cultura para uma estação inteira. Um modelo simplificado que captura a funcionalidade geral da rede genética permite estudar o comportamento amplo do sistema, se não os detalhes, de uma maneira matematicamente tratável”.
Outra abordagem para modelar o relógio circadiano é o relógio da rede gênica, que são sistemas de equações diferenciais que representam redes gênicas que funcionam independentemente da fonte de luz. Embora liguem a genética e o comportamento da planta, eles exigem um conhecimento detalhado da via regulatória entre o relógio e os genes relevantes para serem precisos.
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