Cinco modelos de raiz competem no desafio de benchmarking

Modelos de arquitetura de raiz funcional-estrutural (FSRMs) podem ser usados ​​para selecionar características de raiz que otimizam o desempenho da planta sob condições ambientais específicas. Os simuladores atuais diferem na forma como eles (1) representam a forma como os processos são capturados e traduzidos em equações matemáticas; (2) resolver problemas matemáticos por sua escolha de abordagens analíticas ou numéricas, esquema numérico ou técnica de programação; e (3) acoplar e representar a troca entre os domínios da raiz e do solo. Essas diferenças podem resultar em níveis variados de precisão e confiabilidade.

Andrea Schnepf liderou o primeiro esforço para avaliar a absorção de água pelas raízes do solo usando FSPMs que permite a comparação quantitativa dos resultados de diferentes simuladores com soluções de referência e entre si.

Este esforço começou com uma chamada para participação PARA benchmarking colaborativo de Schnepf e colegas. Como resultado, cinco grupos de pesquisa que desenvolveram os FSPMs raiz DuMu^x, CPlantBoxGenericName, R-SWMS, OpenSimRoote SRI contribuiu para um in silico Artigo da Plants descrevendo o benchmarking.

Os cinco simuladores foram comparados usando uma abordagem de várias etapas com níveis crescentes de complexidade. A precisão foi baseada na comparação com soluções de referência e valores existentes na literatura.

Para o primeiro desafio, a validade de módulos de domínio único (isto é, raiz OU solo) foi testada. Os cenários eram simples e o objetivo era criar confiança na precisão das partes modulares individuais dos simuladores e ajudar a interpretar resultados potencialmente divergentes dos desafios de benchmark acoplados.

EM FOREX 1: MODULAR

Esses desafios consideraram a frente de infiltração e a carga de pressão da água na raiz. A água aplicada à superfície do solo entra no solo através do processo de infiltração. Isso é controlado principalmente pelo abastecimento de água e pelo tipo de solo. Neste caso, o frente de infiltração é medido como a profundidade em que a água se infiltra no solo seco em pontos de tempo específicos em relação ao conteúdo volumétrico de água (a relação entre o volume de água e a unidade de volume do solo).

cabeças de pressão são uma medida do potencial hídrico. A absorção de água pela raiz é calculada de acordo com a diferença de carga de pressão de água entre o xilema e a carga de pressão de água do solo na interface solo-raiz. Neste caso, o modelo descreveu a distribuição da pressão da carga hídrica radicular no xilema sobre a profundidade do solo.

Referência A – O módulo representa com precisão a frente de infiltração da água no solo seco para três tipos de solo (areia, marga e argila).

Resultados: DuMu^x, R—SWMS e OpenSimRoot estavam todos de acordo para areia, marga e argila. O SRI esteve de acordo com a referência para areia e marga, mas desviou para argila, mas ainda dentro da faixa de outros simuladores no benchmark de Vanderborght et ai. (2005).

Referência B – O módulo representa com precisão a evaporação do solo para três tipos de solo.

Resultados: DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot e SRI estavam todos de acordo para areia, marga e argila.

Referência C: O módulo descreve com precisão a distribuição da carga de pressão da água na raiz no xilema de um único segmento vertical da raiz para três tipos de solo.

Resultados: DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot e SRI estavam todos de acordo para areia, marga e argila.

Referência D: O módulo descreve com precisão a distribuição da carga de pressão da água na raiz no xilema de um sistema radicular para três tipos de solo.

Resultados: DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot e SRI estavam todos de acordo com a referência para areia, marga e argila.

Os resultados positivos do desafio modular geraram confiança em todos os simuladores. Embora os autores tenham encontrado uma diferença entre o SRI e a solução de referência para a frente de infiltração da água no solo seco na argila, os resultados foram dentro da ordem de grandeza de outros simuladores.

Os autores explicam os dois fatores que levam a esse desvio. “O fluxo de água é causado por gradientes no potencial de água. Diretamente na frente de infiltração há uma mudança acentuada no potencial de água do solo, que só pode ser capturada com precisão se a resolução espacial for suficientemente boa. Se for muito grosseiro, como foi o caso do SRI, o gradiente real aparecerá manchado.” O segundo fator é a forte não linearidade das funções hidráulicas do solo. “A condutividade hidráulica insaturada refere-se a uma medida da capacidade de retenção de água do solo quando o espaço poroso do solo não está saturado com água. Este fator determina a magnitude do fluxo, que é uma função altamente não linear. Isso significa que uma pequena imprecisão no potencial da água pode levar a um grande erro na condutividade hidráulica. Solos muito secos representam um desafio particular, e a maioria dos simuladores tem algum tipo de regulação.”

O tamanho da malha (resolução espacial), os critérios de convergência (em que ponto um modelo é considerado “preciso” e não pode mais ser melhorado) e o método de avaliação das condutividades hidráulicas do solo influenciam fortemente os resultados.

EM FOREX 2: RAIZ ÚNICA ACOPLADA

Para o segundo desafio de benchmarking, foi testada a validade dos simuladores para os modelos acoplados raiz-solo. O foco deste benchmark foi o desenvolvimento de gradientes de potencial hídrico em torno de uma única raiz vertical. “Como os módulos somente solo e somente raiz foram resolvidos bem pelos diferentes simuladores, quaisquer diferenças nos resultados do benchmark mais desafiador podem ser atribuídas principalmente às abordagens de acoplamento e quão bem os gradientes de potencial de água do solo que se desenvolvem em torno das raízes são reconhecidos ”, explicou Schnepf.

Para este desafio, DuMu^x foi usado de duas maneiras:

1. DuMu^x foi usado para representar os domínios do solo e da raiz, e o problema resultante foi resolvido em uma abordagem de acoplamento em que o valor interpolado do potencial hídrico do solo no perímetro da raiz foi usado (DuMu^x_CIL); e
2. DuMu^x foi usado para representar o solo enquanto o subproblema raiz e o acoplamento foram resolvidos pelo CPlantBox. Para este método, foi utilizado o valor médio do potencial hídrico do solo no perímetro da raiz (DuMu^x_CPlantBox).

O SRI não participou deste desafio devido a restrições de tempo, mas participou do desafio 3.

Referência E1: O modelo acoplado descreve com precisão a distribuição da carga de pressão da água no solo como resultado do fluxo radial de água em direção a uma única raiz vertical para três tipos de solo.

Resultados: DuMu^x_CYL e DuMu^x_PBox estiveram de acordo com a referência para areia e marga, mas desviaram-se para argila. R—SWMS e OpenSimRoot estavam de acordo com a referência para areia e argila, mas desviavam para marga. A SRI deu um tchau para esse desafio.

Referência E2 O modelo acoplado descreve com precisão o tempo de início do estresse hídrico do solo como resultado do fluxo radial de água em direção a uma única raiz vertical para três tipos de solo.

Todos os modelos tiveram desempenho semelhante para este desafio. Discrepâncias na distribuição da carga de pressão da água no solo como resultado do fluxo radial de água em direção a uma única raiz vertical entre o DuMu^x variações e R—SWMS & OpenSimRoot foram devidas a diferenças na técnica numérica usada para dividir o solo em unidades espaciais discretas.

EM FOREX 3: SISTEMA RAIZ ACOPLADO

Para o terceiro e mais difícil desafio, foi testada a validade dos simuladores para os modelos acoplados raiz-solo com sistemas radiculares.

Para este desafio, DuMu^x foi usado de duas maneiras:

1. DuMu^x foi usado para representar os domínios do solo e da raiz e usando o método de suporte de kernel para representar a resistência da rizosfera ao fluxo de água (DuMu^x-ks); e
2. o módulo de solo de DuMu^x foi acoplado ao CPlantBox como acima. Além disso, modelos 1D de rizosfera com simetria radial, também baseados em DuMu^x, foram resolvidos em torno de cada segmento de raiz para determinar o potencial hídrico na interface raiz-solo.

Referência F: O modelo acoplado descreve com precisão a absorção de água pelo sistema radicular de um solo seco e a transpiração resultante ao longo do tempo.

Resultados: Todos os modelos tiveram desempenho semelhante para o desafio final. Verificou-se que todos eles precisavam considerar explicitamente a resistência adicional ao fluxo de água no solo em secagem para evitar superestimar a absorção de água pelas raízes. Os diferentes simuladores usaram abordagens bastante diferentes para fazer isso. Enquanto R-SWMS e SRI ainda superestimaram ligeiramente a transpiração, todos os simuladores acertaram a ordem de grandeza.

A partir desse benchmarking, os autores puderam concluir que os simuladores não apresentavam outros bugs ou erros que pudessem tornar suas soluções imprecisas. Os insights obtidos com esse desafio e a participação de usuários e desenvolvedores dos modelos podem levar a melhorias adicionais no modelo.

LEIA O ARTIGO:

Andrea Schnepf, Christopher K Black, Valentin Couvreur, Benjamin M Delory, Claude Doussan, Adrien Heymans, Mathieu Javaux, Deepanshu Khare, Axelle Koch, Timo Koch, Christian W Kuppe, Magdalena Landl, Daniel Leitner, Guillaume Lobet, Félicien Meunier, Johannes A Postma, Ernst D Schäfer, Tobias Selzner, Jan Vanderborght e Harry Vereecken. Benchmarking colaborativo de modelos funcionais-estruturais de arquitetura radicular: comparação quantitativa da absorção simulada de água radicular, in silico Plantas, 2023; diad005, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad005

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Todos os benchmarks e soluções de referência correspondentes foram publicados na forma de Jupyter Notebooks no repositório GitHub https://github.com/RSA-benchmarks/collaborative-comparison.

Este manuscrito faz parte do mais novo trabalho da in silico Plant Edição especial do Functional Structural Plant Model.