La luz cambia con el ángulo del sol. Rebota en las nubes y las hojas y se dispersa, reduciendo su intensidad. Se crea un gradiente a medida que penetra en la profundidad del dosel. La intercepción de la luz foliar es crucial para determinar la productividad de las plantas mediante modelos computacionales, pero no es fácil de describir en detalle.

Hay dos enfoques para simular interacciones luz-planta. Los modelos de luz unidimensionales (1D) son herramientas simples y robustas para estimar la intercepción de luz de copas homogéneas. En el modelo más simplificado, la luz proviene de una sola fuente aérea; no se considera el ángulo solar. En este modelo se incorpora la extinción de luz a través del dosel.

Modelos dimensionales de árboles (3D) más complejos hacen posible capturar retroalimentaciones entre la arquitectura del dosel y el entorno de luz. Estos modelos capturan los cambios del ángulo solar a lo largo del día y múltiples fuentes de luz difusa. Incorporan rayos de luz que interactúan con copas virtuales en 3D, reflejándose en las superficies de las plantas y difundiéndose a medida que se mueve a través de la copa. Con esta complejidad viene un aumento en los requisitos computacionales y la intratabilidad analítica que restringe la personalización.

En un nuevo artículo publicado en in silico Plants, Yi-Chen Pao de Leibniz Universität Hannover y su coautors examinar las ventajas y desventajas entre la simplicidad y la precisión de los métodos mediante la simulación de la interacción luz-planta y su influencia en la aclimatación fotosintética a nivel de hoja a largo plazo y la acumulación de materia seca a nivel de planta. Los autores compararon dos métodos: un modelo de luz 1D y un modelo de trazado de rayos 3D dentro de un modelo dinámico existente de pepino de invernadero, construido en una plataforma de modelado 3D llamada GroIMP (ver figura 1).

Primero, los autores necesitaban recopilar los valores de entrada para ejecutar los modelos. La mayoría de estos fueron recolectados experimentalmente. Las plantas de pepino se cultivaron en invernaderos para la evaluación del modelo. Se midieron la interceptación de la luz, la partición de la biomasa, la fotosíntesis y la arquitectura de la planta. Las mediciones adicionales para la entrada del modelo fueron la radiación fotosintéticamente activa, la temperatura, el suministro de nitrógeno y la humedad relativa en el invernadero.

Un valor requerido para simular la interacción luz-planta es el coeficiente de extinción de luz k, que representa la cantidad de luz que penetra a través del dosel y cómo disminuye hacia el suelo. k varía según la posición solar, el ángulo de la hoja y la aglomeración, así como el desarrollo y la configuración del dosel. Mientras que el valor de k necesita ser ingresado en el modelo 1D, el modelo 3D es capaz de calcular los valores de k in silico.

Determinación de la variación de k experimentalmente a lo largo de la temporada a medida que aumenta el área foliar del dosel puede ser difícil. Para determinar cuánto error se introduciría en la simulación utilizando un k valor, los autores probaron qué tan sensibles eran las predicciones del modelo 1D al k valor utilizado. La simulación del modelo 1D se ejecutó utilizando diferentes valores constantes para k. La producción dependía en gran medida de k – una diferencia de 0.2 en k resultó en una pérdida de precisión de hasta un 27% para la materia seca de los brotes (ver figura 2).

Para superar este obstáculo, los autores utilizaron el modelo de luz 3D para simular escenarios artificiales de configuraciones de dosel para estimar k para usar en el modelo de luz 1D.

Luego, los autores ejecutaron los dos modelos y compararon sus precisiones predictivas. Descubrieron que las estimaciones fotosintéticas y de materia seca de los brotes usando el modelo 1D y 3D eran comparables con los datos medidos (ver figura 3).

Según Pao, "estos resultados sugirieron que, con la ayuda de la estructura de la planta 3D y el modelo de luz, el modelo de luz 1D pudo proporcionar estimaciones y predicciones eficientes para fines agronómicos con una demanda computacional reducida".

LEE EL ARTÍCULO:

Yi-Chen Pao, Katrin Kahlen, Tsu-Wei Chen, Dirk Wiechers, Hartmut Stützel, ¿Qué importancia tiene la estructura? Comparación de la fotosíntesis del dosel usando modelos de luz unidimensionales y tridimensionales: un estudio de caso usando copas de pepino de invernadero, in silico Plants, 2021; diab031, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab031

Este manuscrito es parte de in silico Plant's Edición especial del Modelo Estructural Funcional de la Planta.