A luz é o parâmetro de entrada mais importante para um modelo de fotossíntese. Modelar a distribuição da radiação solar interceptada pelas folhas no dossel de uma planta é difícil porque o arranjo espacial das folhas cria um campo complexo de sombras e manchas solares. Os modelos tradicionais não consideram diretamente manchas solares e sombras em folhas individuais, mas usam uma abordagem estatística para determinar os níveis médios de luz em todo o dossel, que podem ser inseridos em um modelo de fotossíntese, entre outros.
Modelos tridimensionais (3D) que representam explicitamente cada folha no dossel tornaram-se uma ferramenta cada vez mais valiosa para entender as interações entre a estrutura e a função da planta. Nesta classe de modelo, a luz geralmente é calculada em média sobre uma folha inteira, em vez de todo o dossel. Muitas vezes, assume-se implicitamente que a representação de cada folha no dossel fornece um desempenho de modelo superior em comparação com as abordagens tradicionais de modelagem estatística.
O professor Brian Bailey e o pesquisador de pós-doutorado Eric Kent, do Departamento de Ciências Vegetais da Universidade da Califórnia, Davis, demonstram que calcular a média de uma folha inteira (como normalmente é feito em modelos 3D) pode resultar em erros muito maiores na fotossíntese de todo o dossel do que os modelos estatísticos tradicionais. Eles mostram que os modelos 3D de resolução de folhas devem representar fielmente as sombras nas folhas, necessitando de resoluções de modelo muito mais altas do que as usadas atualmente pela comunidade.
“Sombras projetadas por folhas vizinhas em um dossel de planta criam gradientes espaciais extremamente grandes na radiação absorvida na escala de subfolhas, que geralmente não são totalmente resolvidas em modelos de “resolução de folhas”. Essa falha em resolver gradientes radiativos acentuados pode se propagar para outros modelos biofísicos dependentes e resultar em uma previsão dramática de fluxos de planta inteira e copa”, diz Bailey.
Os autores usaram Helios, uma planta tridimensional e estrutura de modelagem ambiental criada anteriormente por Bailey, para determinar como a variação na estrutura do dossel afeta as saídas do modelo de absorção de radiação e fotossíntese do dossel. Eles consideraram três fatores que afetam a estrutura do dossel:
- O ângulo das folhas dentro de um dossel afeta a interceptação da luz. Os ângulos das folhas foram gerados de acordo com um dos quatro tipos de distribuição teórica.
- O tamanho do dossel e sua densidade também afetam a interceptação da luz e são medidos como índice de área foliar (IAF) – a razão da área foliar por unidade de área do solo. O número de folhas no dossel foi escolhido para atingir um dos quatro valores de LAI: 0.5, 1.0, 2.0 e 3.0 (listados em ordem de aberto a denso).
- A qualidade da luz é tão importante quanto a quantidade. Radiação direta é a luz que vem diretamente de um caminho direto do sol. Radiação difusa é a luz que foi espalhada por moléculas e partículas. A fração de radiação difusa é a razão entre a radiação solar difusa e global. As plantas usam a luz difusa com mais eficiência do que a luz direta. Simulações separadas foram realizadas com diferentes frações de radiação difusa: 0, 0.1 e 0.2 (listadas em ordem de menos para mais radiação difusa).
Eles descobriram que as configurações do dossel que reduzem a entropia de radiação são mais sensíveis ao erro nas estimativas da fotossíntese do dossel. Verificou-se que os erros aumentam para configurações de dossel (1) com o aumento do LAI, à medida que o dossel se torna mais denso, (2) quando a distribuição do ângulo da folha é mais horizontal, fazendo com que a fração da área da folha projetada na direção do sol aumente e (3 ) quando a fração de entrada de radiação difusa foi diminuída.
Para testar o efeito da resolução na saída do modelo, os autores manipularam o número de subelementos por folha. Para cada simulação, o número de subelementos por folha foram: 1, 9, 100 e 225 por folha (de baixa a alta resolução).
Quando apenas um elemento por folha foi usado (ou seja, resolução como uma folha inteira), os erros na fotossíntese foram muito altos (>100%). Os erros diminuíram exponencialmente à medida que o número de elementos por folha aumentava.
“Achamos que esses resultados encorajarão os pesquisadores a considerar mais de perto o impacto da resolução de subfolhas nos erros do modelo. Embora não recomendemos nenhuma resolução específica, pois isso varia de acordo com o modelo da planta e a geometria do dossel, é provável que leve a um aumento na resolução do modelo em relação à prática comum atual”, diz Bailey.
ARTIGO DE PESQUISA:
Brian N Bailey, Eric R Kent, Sobre os requisitos de resolução para representar com precisão as interações entre a estrutura e a função do dossel da planta em modelos tridimensionais de resolução de folhas, in silico Plants, 2021;, diab023, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab023
