A luz é um fator essencial para o crescimento das culturas e para o desenvolvimento da produção agrícola. As plantas absorvem comprimentos de onda vermelhos através de pigmentos fotossintéticos, enquanto os comprimentos de onda do vermelho distante são refletidos e transmitidos pelas folhas verdes das plantas vizinhas. Isso diminui a proporção vermelho:vermelho distante dentro do dossel.

As plantas são sensíveis à relação vermelho:vermelho distante - níveis mais baixos induzem mudanças do nível fenotípico ao nível molecular, incluindo altura da planta, morfologia foliar, biomassa, ultraestrutura do cloroplasto e características fotossintéticas. Esses efeitos permitem que a planta capture mais energia luminosa, o que maximiza o crescimento e a aptidão da planta em povoamentos lotados. Apesar do papel importante que a relação vermelho:vermelho distante desempenha no desenvolvimento da planta, tem havido sucesso limitado na avaliação de como isso afeta a morfogênese dentro de um dossel da planta porque é difícil de quantificar. A chave para desvendar esse mistério é o uso da modelagem estrutural funcional da planta para avaliar como vários modelos de transferência radiativa influenciam a simulação da proporção vermelho:vermelho distante e o crescimento da estrutura foliar resultante usando modelos computacionais.

Arthur Couturier, aluno de pós-graduação do Instituto Nacional de Pesquisa em Agricultura, Alimentação e Meio Ambiente da França (INRAE), e colegas publicaram recentemente um artigo na in silico Plantas que apresenta novos métodos baseados em modelos para descrever a variabilidade espacial e temporal da relação vermelho:vermelho distante. Os autores avaliaram diferentes métodos usados ​​na modelagem de luz para determinar qual era o mais preciso.

Os métodos avaliados pelos autores foram:

  1. a abordagem do modelo de luz,
  2. o método de troca radiativa, e
  3. a escala considerada para interceptar os raios de luz.

“Simulamos a abordagem do modelo de luz de duas maneiras”, explica Couturier. “O método de meio turvo representa o dossel com uma matriz de células 3D. Em seguida, calcula a transferência radiativa dentro de cada célula individual. Essa abordagem não leva em conta totalmente o efeito da posição e orientação de órgãos individuais. O modelo RIRI usou essa abordagem. O método de radiosidade calcula a transferência radiativa considerando a geometria de cada elemento de folhagem individual e requer um tempo de computação significativo. O modelo CANESTRA usou essa abordagem.“

Os métodos de troca radiativa considerados foram sem espalhamento (somente interceptação direta da luz considerada) e com dispersão da luz em todas as direções após ser interceptada pelos fitoelementos. Embora a dispersão da luz seja representativa do que ocorre dentro do dossel, ela é computacionalmente intensiva. Portanto, é valioso avaliar quanto impacto isso tem na morfogênese.

Três escalas para interceptação de raios de luz foram consideradas:

  1. A escala 'Órgão' foi calculada a partir da irradiância da superfície do órgão considerado,
  2. a escala 'Face' calculada a partir da irradiância interceptada pela superfície horizontal inferior do voxel onde está o órgão considerado, e
  3. a escala 'Voxel' calculada a partir da irradiância de um voxel considerado usando uma abordagem de meio turvo.
Adicione a representação visual das três escalas que foram consideradas Dois raios de luz interceptados no estudo. A primeira escala, órgão CANESTRA, mostra os raios de luz interceptados pelos triângulos de uma única folha com pecíolo e internódio. A segunda escala, face CANESTRA, mostra os raios de luz interceptados pela face inferior do voxel onde se encontra a folha. A terceira escala, RIRI voxel, mostra os raios interceptados pelo voxel onde o órgão está localizado.
As três escalas consideradas para interceptar os raios de luz no estudo.

Os autores então executaram simulações usando os cinco métodos integrados ao existente Modelo Virtual GrassLand para determinar o crescimento de pecíolos e entrenós. O estudo centrou-se em duas espécies de plantas com arquitetura contrastante – alfafa que cresce verticalmente e trevo branco que cresce horizontalmente ao longo do solo.

Um fluxograma com cinco abordagens terminando em cinco modelos. O primeiro nível é modelo. Existem dois modelos, RIRI e CANESTRA. A partir do modelo RIRI, a abordagem do modelo leve é ​​um meio turvo. O método de troca radiativa é sem espalhamento. A escala de modelagem é Voxel. O método é, portanto, chamado de “RIRI Voxel sem dispersão”. A partir do Modelo CANESTRA, a abordagem do modelo de luz é a radiosidade. Existem dois métodos de troca radiativa, com e sem espalhamento. De sem dispersão, a escala é FACE ou Organ. O método do FACE chama-se “CANESTRA Face sem dispersão” e o método da ORGAN chama-se “CANESTRA Órgão sem dispersão”. De com dispersão, a escala é FACE ou Organ. O método do FACE chama-se “CANESTRA Face with scattering” e o método do ORGAN chama-se “CANESTRA Organ with scattering”.
Os cinco métodos para calcular a transferência radiativa usados ​​no artigo.

Os cinco métodos produziram proporções variáveis ​​de vermelho médio:vermelho distante experimentadas pelos entrenós e pecíolos dentro do dossel durante a estação de crescimento. Como mencionado anteriormente, a razão é difícil de medir e, portanto, é difícil determinar qual método produziu os valores mais realistas. No entanto, a diminuição precoce na relação vermelho:vermelho distante produzida pelos métodos CANESTRA Organ indica que eles podem detectar a presença de órgãos de plantas vizinhas nos estágios iniciais de desenvolvimento, enquanto os outros três métodos mostram apenas uma diminuição da proporção mais tarde, quando as folhas estão presentes .

Um gráfico com dia do ano de 100 a 180 no eixo x e proporção de vermelho médio: vermelho distante interceptada de 0 a 1.2 no eixo y. Os valores de RIRI e CANESTRA Face com e sem dispersão estabilizam em torno de um valor médio de 1 dos dias 120 a 140 e depois diminuem. Os valores médios do órgão CANESTRA com e sem espalhamento caem logo após o dia 12 e permanecem baixos até o dia 180.
A diminuição inicial na relação vermelho:vermelho distante produzida pelos métodos CANESTRA Organ.

Curiosamente, a inclusão de espalhamento não afetou a intercepção da razão vermelho:vermelho distante para simulações realizadas com o modelo CANESTRA Organ, mas teve um forte impacto nas simulações realizadas com o modelo CANESTRA Face. Portanto, como o uso do espalhamento tem um alto custo de tempo computacional, seu uso deve ser escolhido de acordo com as necessidades de precisão da simulação tendo em vista as pequenas diferenças observadas.

A morfogênese da planta expressa pelo comprimento simulado do pecíolo e internódio foi sensível ao tipo de modelo de radiação, especialmente em um estágio inicial de desenvolvimento. A alfafa, que tem um hábito vertical e mais auto-sombreamento do que o trevo que cresce horizontalmente, foi mais sensível às variações da proporção vermelho:vermelho distante.

Como a proporção vermelho:vermelho distante tem um efeito tão grande nas plantas, melhorar a estrutura usada para representá-la é vital para modelar os esforços para aumentar o rendimento das culturas. Este trabalho mostrou que a escolha do modelo deve ser feita de acordo com as necessidades do foco da pesquisa e disponibilidade de recursos computacionais. Os autores fornecem uma tabela resumida sobre as vantagens e desvantagens de cada um dos cinco modelos e seu uso sugerido em relação às questões de pesquisa levantadas.

LEIA O ARTIGO:

Arthur Couturier, Elzbieta Frak, Quentin Rambaud, Gaëtan Louarn, Romain Barillot, Jean-Louis Durand, Abraham Escobar-Gutiérrez, Didier Combes, Quanto os modelos de transferência radiativa influenciam a simulação do vermelho:vermelho distante e a subsequente modelagem da fotomorfogênese da planta? in silico Plants, 2022, diac013, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac013