Apresentando o novo CPlantBox

Nos últimos anos, a seca causou reduções significativas no rendimento das colheitas, e as projeções indicam que a seca se tornará mais frequente e severa em muitas regiões no futuro.

A estudo por Liming Xiong e colegas enfatizaram que o progresso no aumento da tolerância à seca das plantas cultivadas através de métodos de melhoramento tradicionais e abordagens genéticas modernas tem sido prejudicado pelo ritmo lento na descoberta dos processos complexos subjacentes à tolerância à seca. Isto ocorre porque a tolerância à seca é uma característica muito complexa e as plantas têm muitas maneiras de responder à seca.

Além disso, o impacto da seca nas plantas é influenciado por vários factores, incluindo a sua intensidade, frequência, duração e tempo. Por exemplo, a seca pode causar maiores danos quando ocorre durante fases críticas do desenvolvimento da cultura, como após a plantação ou durante a colheita. floração.

Ao empregar modelagem computacional, os cientistas podem desembaraçar as interações entre esses processos e obter insights sobre as causas da redução do rendimento. Esta informação valiosa pode então ser utilizada para mitigar os efeitos prejudiciais da seca, orientando práticas de gestão ou facilitando o desenvolvimento de plantas tolerantes à seca.

Mona Giraud, estudante de doutorado na Forschungszentrum Jülich, e colegas apresentam a mais recente implementação do CPlantBox, um modelo fácil de usar que pode simular os efeitos da seca nas plantas em in silico Plants. CPlantBox, é um modelo de planta estrutural funcional tridimensional (3D FSPM) apresentado pela primeira vez em 2020 por Xiao-Ran Zhou e colegas. É capaz de simular o crescimento e desenvolvimento das plantas e o movimento dinâmico da água e do carbono entre o solo, uma planta em crescimento e a atmosfera.

A nova versão do CPlantBox amplia essas capacidades. A incorporação de módulos adicionais permite representar melhor os processos fisiológicos e físicos. Por exemplo,

• uma expansão do módulo analítico de fluxo de água de toda a planta, em vez de apenas da raiz;
• inclusão do fluxo de água no solo em vez de desconsiderar esta variável; e
• inclusão de módulos acoplados de regulação fotossíntese-transpiração-estomatal, em vez de desconsiderar a influência de seus valores dinâmicos no fluxo de carbono e água.

Ao alterar as interdependências entre os módulos, possui maior velocidade de computação e captura melhor os processos dinâmicos de uma planta em crescimento. Anteriormente, havia um acoplamento suave entre o modelo mecanicista de fluxo de água e carbono e o modelo que simula o crescimento e desenvolvimento de uma planta. Isto significa que o resultado do modelo de fluxo de água e carbono foi utilizado como entrada para o modelo de crescimento e desenvolvimento no final da sua simulação. A atualização apresenta um mecanismo de acoplamento forte que permite que o modelo de fluxo de água e carbono forneça dados de produção como uma entrada para o modelo de crescimento e desenvolvimento para cada intervalo de tempo.

Para testar o modelo, os autores simularam o crescimento de plantas em condições de seca em vários estágios de desenvolvimento. O modelo calculou com sucesso as respostas de variáveis ​​como potencial hídrico no xilema, concentração de sacarose no floema e partição de carbono em pequenos intervalos de tempo para uma planta com arquitetura complexa. No entanto, o nível de concordância entre os resultados simulados e a literatura existente variou.

No entanto, os autores permanecem determinados – eles acreditam que quaisquer discrepâncias entre o seu modelo e outros resultados observados ou simulados são valiosas porque fornecem informações valiosas sobre os processos fundamentais envolvidos na forma como as plantas respondem à seca.

Em trabalhos futuros, os autores gostariam de integrar dados adicionais de calibração e parâmetros ao modelo para melhorar as previsões do CPlantBox.

LEIA O ARTIGO:

Mona Giraud e outros, CPlantBox: uma plataforma de modelagem totalmente acoplada para os fluxos de água e carbono no Solo-Planta-Atmosfera-Continuum, in silico Plants, 2023;, diad009, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad009

Este artigo faz parte do Edição especial do Functional Structural Plant Model.

O código CPlantBox utilizado para executar as simulações está disponível em https://github.com/Plant-Root-Soil-Interactions-CPlantBox/releases/tag/v2.0. Todos os arquivos utilizados para executar as simulações e plotar os resultados também estão disponíveis em Zenodo.