A mudança climática alterará a disponibilidade de recursos afetando o desempenho da planta.  Uma maneira pela qual as plantas responderão a essas mudanças é por meio de mudanças no fenótipo (ou seja, características). A capacidade de genótipos individuais de produzir fenótipos diferentes quando expostos a condições ambientais únicas é chamada de plasticidade fenotípica. Compreender as respostas do plástico é crucial para prever e gerenciar os efeitos das mudanças climáticas nas plantas. A modelagem computacional de plantas oferece informações sobre as interações planta-ambiente e a plasticidade fenotípica resultante.

Dr. Romain Barillot e colegas, pesquisadores do Instituto Nacional Francês de Agricultura, Alimentação e Meio Ambiente (INRAE), usou um modelo de computador para explorar os processos subjacentes à morfogênese do broto – o processo biológico que faz com que os brotos desenvolvam sua forma.

Normalmente, o trigo produz muitos ramos (ou seja, colmos), mas as plantas que não possuem o(s) gene(s) que controlam a ramificação apresentam um fenótipo monoculmo. O uso de monoculmos permite que os pesquisadores se concentrem em simular a plasticidade do crescimento foliar sem a necessidade de considerar as supostas regras de emergência dos perfilhos. Por isso, os autores adaptaram CN-Trigo, um modelo mecanicista que integra totalmente a morfogênese da parte aérea e o metabolismo do carbono (C) e nitrogênio (N) em escala de órgão, dentro de uma representação tridimensional da arquitetura da planta, para simular o crescimento de monoculmos.

De acordo com Barillot e colegas, “a plasticidade foliar em modelos de grama anteriores é definida a partir de dados empíricos, limitando nossa capacidade de explorar a resposta das plantas à ampla gama de novas condições de crescimento previstas devido às mudanças climáticas. O que é único sobre o CN-Wheat é que ele considera explicitamente o papel da economia de carbono e nitrogênio de toda a planta em interação com as condições ambientais. O modelo usa loops de feedback entre a aquisição de carbono e nitrogênio e as respostas às concentrações de metabólitos para conduzir a morfogênese, permitindo-nos explorar mecanicamente a resposta das plantas que crescem em uma ampla variedade de ambientes”.

Os autores usaram o CN-Wheat modificado para explorar como a morfogênese sob uma variedade de condições de crescimento afetou a plasticidade das principais características foliares. As simulações foram feitas com plantas crescendo sob uma variedade de densidades de plantio interativas, concentrações de N no solo e radiação fotossinteticamente ativa incidente, que é a luz disponível para a fotossíntese. Os autores então avaliam as dimensões da planta, biomassa, área foliar específica e conteúdo de nitrogênio.

Os autores descobriram que o modelo simulou uma plasticidade fenotípica realista para contrastar a disponibilidade de luz e a fertilização com N. Por exemplo, como resposta ao aumento da PAR incidente, o modelo simulou, no nível da planta inteira, uma fração decrescente de massa seca alocada às raízes (Fig. 1) e emergência foliar mais rápida e, no nível da folha, mais espessa e larga folhas (Fig. 2). Além disso, como resposta ao aumento da concentração de N no solo, o modelo simulou, no nível da planta inteira, uma diminuição da massa seca da parte aérea:raiz (Fig. 1) e emergência foliar mais rápida e, no nível da folha, aumento da espessura, largura e comprimento (Fig. 2).

Esses resultados demonstram que a integração do funcionamento da planta em escala de órgão pode simular, como uma propriedade emergente, a plasticidade fenotípica das plantas em condições contrastantes de luz e nitrogênio.

Barillot conclui: “CN-Wheat fornece uma descrição original e explícita dos processos subjacentes à morfogênese, que oferece novas possibilidades para vincular a plasticidade fenotípica das plantas ao seu estado metabólico de C e N no local e no tempo em que as características são construídas. Esse nível único de integração torna o CN-Wheat uma boa ferramenta para explorar o funcionamento da planta em ambientes contrastantes e abre novas possibilidades para explicar as interações genótipo-ambiente”.

LEIA O ARTIGO:

Marion Gauthier, Romain Barillot, Bruno Andrieu, Simulando a plasticidade fenotípica da grama como uma propriedade emergente das respostas da zona de crescimento aos metabólitos de carbono e nitrogênio, in silico Plants, 2021, diab034, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab034

Este manuscrito faz parte do in silico Plant's Edição especial do Functional Structural Plant Model.