Desde 1991, el SIMULADOR DE SISTEMAS DE PRODUCCIÓN AGRÍCOLA (APSIM) ha pasado de ser un marco de sistemas agrícolas utilizado por un pequeño número de personas a un gran colección de modelos utilizados por muchos miles de modelistas a nivel internacional. Veinte años después, su marco de modelado abarca más de 35 especies de plantas, desde leguminosas y gramíneas hasta tubérculos y árboles. Gracias a la dedicación de la iniciativa de investigación al desarrollo, la gestión y el uso continuos de APSIM, existen cerca de 1,000 artículos de investigación basados ​​en sus simulaciones.

Plataformas como APSIM ayudan a los investigadores a explorar la dinámica entre la atmósfera, el cultivo y el suelo, ayudan en la agronomía de cultivos, el manejo de plagas, la reproducción y el manejo de recursos naturales, y evalúan el impacto del cambio climático.

Junqi Zhu, investigador del Centro de Investigación de Marlborough del Instituto de Investigación de Plantas y Alimentos de Nueva Zelanda, lideró un equipo que creó el primer modelo de cultivo de frutas perennes utilizando el marco APSIM Next Generation. En el artículo publicado por in silico Plantas, los autores utilizaron la vid, uno de los cultivos frutales perennes económicamente más importantes del mundo, como modelo de planta.

Los cultivos perennes representan una inversión a largo plazo por parte de los terratenientes. Las vides siguen siendo económicamente productivas durante 20 a 60 años. No hay oportunidades de cambiar la ubicación, el genotipo y la configuración de la planta para adaptarse al clima en comparación con los cultivos anuales. Como tal, los modelos confiables para evaluar opciones en el establecimiento y para la gestión continua son ayudas valiosas para la toma de decisiones.

“La principal diferencia entre los cultivos anuales y perennes son los procesos de formación del rendimiento. El ciclo de reproducción de un cultivo perenne dura de 15 a 18 meses o más, con posibles efectos de arrastre (p. ej., reservas de carbohidratos) de años anteriores”, explica Zhu. “Necesitábamos adaptar y agregar módulos para representar la naturaleza de las vides frutales”.

Los módulos desarrollados por los autores incluyeron:

• Fenología: a diferencia de los cultivos anuales, las vides perennes experimentan latencia seguida de brotación, floración, fructificación, desarrollo de bayas y fases de muerte de hojas. Los órganos perennes incluían la caña, el tronco y la raíz estructural.
• Intercepción de luz: las vides tienen una arquitectura única y se plantan en hileras con un amplio callejón entre ellas. El modelo calculó la intercepción de la luz por el dosel de hileras, expresada en función del ancho del dosel, la profundidad del dosel, la distancia entre dos hileras, el área foliar de los cultivos en hileras y el coeficiente de extinción de luz.
• Asignación de carbohidratos: la demanda de carbohidratos del tronco y la raíz de las plantas perennes para el crecimiento y las reservas es mayor que para los cultivos anuales, que priorizan el crecimiento de órganos sobre las reservas.
• Formación del rendimiento y composición de las bayas: las uvas (bayas) crecen en racimos, con múltiples racimos que crecen de cada brote con múltiples brotes por vid. El modelo encapsuló el número de racimos por brote, número de bayas por racimo, peso fresco, peso seco, sólidos solubles totales (concentración de azúcar) y ácido titulable. La acidez titulable juega un papel importante en el sabor, el color y la estabilidad microbiana del jugo de uva.

Luego, los autores calibraron y validaron su nuevo modelo utilizando conjuntos de datos existentes.

Las simulaciones se realizaron en 8 sitios en Nueva Zelanda con diferentes números de nodos para representar la poda de la vid. Algunos viticultores podan durante la etapa reproductiva para mejorar la calidad del vino al reducir la competencia de carbohidratos entre el crecimiento vegetativo y el reproductivo.

El modelo de vid capturó las variaciones en el tiempo fenológico en los sitios para cinco variedades diferentes durante 15 temporadas de crecimiento. Las fechas simuladas de brotación, floración y envero (el inicio de la maduración) se correlacionaron bien con las fechas observadas.

El modelo de radiación de cultivos plantados en hileras recientemente agregado capturó el patrón de intercepción de luz estacional de un sistema de entrenamiento de posición de brote vertical y proporcionó un marco para modelar los efectos de la configuración de viñedos y el manejo de callejones.

El modelo reprodujo la dinámica de la materia seca de diferentes órganos causada por diferentes condiciones climáticas estacionales y estrategias de poda (p. ej., diferente número de nodos retenidos) durante dos temporadas.

Finalmente, el modelo capturó las amplias variaciones en los componentes del rendimiento (peso fresco de la baya, sólidos solubles totales y ácido titulable) durante 10 temporadas en cinco sitios con cinco números diferentes de caña retenida.

Zhu afirma: «El modelo de la vid representa un avance importante, ya que es el primer cultivo frutal perenne completamente implementado en APSIM y proporciona una plantilla útil para el desarrollo de modelos para otros cultivos frutales perennes. Esperamos que otros investigadores continúen el desarrollo y las pruebas del modelo en otros países».

ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN:

Junqi Zhu, Amber Parker, Fang Gou, Rob Agnew, Linlin Yang, Marc Greven, Victoria Raw, Sue Neal, Damian Martin, Michael CT Trought, Neil Huth, Hamish Edward Brown, Desarrollo de modelos de cultivo de frutas perennes en APSIM Next Generation utilizando la vid como un ejemplo, in silico Plants, 2021;, diab021, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab021

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

Más sobre el marco de próxima generación de APSIM:

APSIM Next Generation utiliza un sistema de control de versiones para garantizar la confiabilidad del modelo y un moderno sistema de distribución para garantizar que los usuarios puedan acceder fácilmente a los modelos y recibir actualizaciones. Tiene documentación automática y una interfaz fácil de usar en la que los desarrolladores pueden arrastrar y soltar diferentes módulos y funciones para representar los procesos fisiológicos. La interfaz de usuario está en el nivel de requisito de habilidad de programación cero, permite que más científicos contribuyan al desarrollo del modelo. Todo el código fuente está disponible en el repositorio de la iniciativa APSIM bajo una licencia de investigación y desarrollo.

El modelo Grapevine de APSIM, los datos utilizados para el desarrollo del modelo y el código fuente están disponibles públicamente en el repositorio git de APSIM Next Generation: https://github.com/APSIMInitiative/-ApsimX/tree/master/Tests/Validation/Grapevine. El código R para trazado y análisis está disponible a los autores previa solicitud.