Los modelos de arquitectura funcional-estructural de la raíz (FSRM) se pueden utilizar para seleccionar características de la raíz que optimicen el rendimiento de la planta en condiciones ambientales específicas. Los simuladores actuales difieren en la forma en que (1) representan la forma en que se capturan los procesos y se traducen en ecuaciones matemáticas; (2) resolver problemas matemáticos mediante su elección de enfoques analíticos o numéricos, esquema numérico o técnica de programación; y (3) acoplar y representar el intercambio entre los dominios de la raíz y el suelo. Estas diferencias pueden resultar en diferentes niveles de precisión y confiabilidad.

andrea schnepf lideró el primer esfuerzo para comparar la absorción de agua de las raíces del suelo utilizando FSPM que permite la comparación cuantitativa de los resultados de diferentes simuladores con soluciones de referencia y entre sí.

Este esfuerzo comenzó con una convocatoria de participación PARA la evaluación comparativa colaborativa de Schnepf y colegas. Como resultado, cinco grupos de investigación que desarrollaron los FSPM raíz dumu^x, CPlantBox, R-SWMS, OpenSimRoot y SRI contribuido a un in silico Artículo de Plants que describe el benchmarking.

Los cinco simuladores se compararon utilizando un enfoque de varios pasos con niveles crecientes de complejidad. La precisión se basó en la comparación con las soluciones de referencia y los valores de la literatura existente.

Para el primer desafío, se probó la validez de los módulos de un solo dominio (es decir, raíz O suelo). Los escenarios eran simples y el objetivo era generar confianza en la precisión de las partes modulares individuales de los simuladores y ayudar a interpretar los resultados potencialmente divergentes de los desafíos de referencia acoplados.

RETO 1: MODULARES

Estos desafíos consideraron el frente de infiltración y la cabeza de presión de agua de la raíz. El agua aplicada a la superficie del suelo ingresa al suelo a través del proceso de infiltración. Esto está controlado principalmente por el suministro de agua y el tipo de suelo. En este caso, el frente de infiltración se mide como la profundidad a la que el agua se infiltra en el suelo seco en puntos de tiempo específicos en relación con el contenido volumétrico de agua (la relación entre el volumen de agua y la unidad de volumen de suelo).

cabezas de presión son una medida del potencial hídrico. La absorción de agua por las raíces se calcula de acuerdo con la diferencia de presión de agua entre el xilema y la presión de agua del suelo en la interfaz suelo-raíz. En este caso, el modelo describió la distribución de la presión de cabeza de agua de la raíz en el xilema sobre la profundidad del suelo.

Punto de referencia A: el módulo representa con precisión el frente de infiltración del agua en el suelo seco para tres tipos de suelo (arena, marga y arcilla).

Resultados: DuMu^x, R—SWMS y OpenSimRoot estaban todos de acuerdo para arena, marga y arcilla. SRI estuvo de acuerdo con la referencia de arena y marga, pero se desvió de la arcilla, pero aún dentro del rango de otros simuladores en el punto de referencia de Vanderborgh et al. (2005).

Punto de referencia B: el módulo representa con precisión la evaporación del suelo para tres tipos de suelo.

Resultados: DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot y SRI estaban todos de acuerdo para arena, marga y arcilla.

Punto de referencia C: El módulo describe con precisión la distribución de la cabeza de presión de agua de la raíz en el xilema de un solo segmento de raíz vertical para tres tipos de suelo.

Resultados: DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot y SRI estaban todos de acuerdo para arena, marga y arcilla.

Punto de referencia D: El módulo describe con precisión la distribución de la cabeza de presión de agua de la raíz en el xilema de un sistema de raíces para tres tipos de suelo.

Resultados: DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot y SRI estaban todos de acuerdo con la referencia para arena, marga y arcilla.

Los resultados positivos del desafío modular generaron confianza en todos los simuladores. Si bien los autores encontraron una diferencia entre SRI y la solución de referencia para el frente de infiltración de agua en el suelo seco en la arcilla, los resultados fueron dentro del orden de magnitud de otros simuladores.

Los autores explican los dos factores que impulsan esta desviación. “El flujo de agua es causado por gradientes en el potencial hídrico. Directamente en el frente de infiltración hay un cambio brusco en el potencial hídrico del suelo, que solo se puede capturar con precisión si la resolución espacial es lo suficientemente fina. Si es demasiado grueso, como fue el caso con SRI, el gradiente real aparecerá manchado”. El segundo factor es la fuerte no linealidad de las funciones hidráulicas del suelo. “La conductividad hidráulica no saturada se refiere a una medida de la capacidad de retención de agua del suelo cuando el espacio poroso del suelo no está saturado con agua. Este factor determina la magnitud del flujo, que es una función altamente no lineal. Eso significa que una pequeña imprecisión en el potencial del agua puede conducir a un gran error en la conductividad hidráulica. Los suelos muy secos representan un desafío particular y la mayoría de los simuladores tienen algún tipo de regulación”.

El tamaño de la cuadrícula (resolución espacial), los criterios de convergencia (en qué punto se considera que un modelo es "preciso" y ya no se puede mejorar) y el método de evaluación de las conductividades hidráulicas del suelo influyen fuertemente en los resultados.

RETO 2: RAÍZ SIMPLE ACOPLADA

Para el segundo desafío de benchmarking se probó la validez de los simuladores para los modelos acoplados raíz-suelo. El enfoque de este punto de referencia fue el desarrollo de gradientes de potencial hídrico alrededor de una sola raíz vertical. “Como los diferentes simuladores resolvieron bien los módulos de solo suelo y solo de raíz, cualquier diferencia en los resultados del punto de referencia más desafiante se puede atribuir principalmente a los enfoques de acoplamiento y qué tan bien se reconocen los gradientes de potencial hídrico del suelo que se desarrollan alrededor de las raíces. ”, explicó Schnepf.

Para este desafío, DuMu^x se usó de dos maneras:

1. dumu^x se utilizó para representar los dominios del suelo y de la raíz, y el problema resultante se resolvió mediante un enfoque de acoplamiento en el que se utilizó el valor interpolado del potencial hídrico del suelo en el perímetro de la raíz (DuMu^x_CYL); y
2. dumu^x se utilizó para representar el suelo mientras que el subproblema raíz y el acoplamiento fueron resueltos por CPlantBox. Para este método, se utilizó el valor promedio del potencial hídrico del suelo en el perímetro de la raíz (DuMu^x_CPlantBox).

SRI no participó en este desafío debido a limitaciones de tiempo, pero sí participó en el desafío 3.

Punto de referencia E1: El modelo acoplado describe con precisión la distribución de la cabeza de presión del agua del suelo como resultado del flujo de agua radial hacia una sola raíz vertical para tres tipos de suelo.

Resultados: DuMu^x_CYL y DuMu^x_PBox coincidía con la referencia para arena y marga, pero se desviaba para arcilla. R: SWMS y OpenSimRoot coincidieron con la referencia para arena y arcilla, pero se desviaron para marga. SRI se despidió de este desafío.

Punto de referencia E2 El modelo acoplado describe con precisión el momento del inicio del estrés hídrico del suelo como resultado del flujo radial de agua hacia una sola raíz vertical para tres tipos de suelo.

Resultados: DuMu^x_CYL, DuMu^x_PBox, R—SWMS y OpenSimRoot estaban todos de acuerdo con la referencia para arena, marga y arcilla. SRI se despidió de este desafío.

Todos los modelos se desempeñaron de manera similar para este desafío. Las discrepancias en la distribución de la cabeza de presión del agua del suelo como resultado del flujo de agua radial hacia una sola raíz vertical entre el DuMu^x Las variaciones y R—SWMS y OpenSimRoot se debieron a diferencias en la técnica numérica utilizada para dividir el suelo en unidades espaciales discretas.

RETO 3: SISTEMA DE RAÍCES ACOPLADO

Para el tercer y más difícil desafío, se probó la validez de los simuladores para los modelos acoplados raíz-suelo con sistemas de raíces.

Para este desafío, DuMu^x se usó de dos maneras:

1. dumu^x se usó para representar tanto el suelo como los dominios de las raíces y usando el método de soporte del núcleo para representar la resistencia de la rizosfera al flujo de agua (DuMu^x-Kansas); y
2. el módulo de suelo de DuMu^x se acopló a CPlantBox como se indicó anteriormente. Además, modelos de rizosfera 1D radialmente simétricos, también basados ​​en DuMu^x, se resolvieron alrededor de cada segmento de raíz para determinar el potencial hídrico en la interfase raíz-suelo.

Punto de referencia F: El modelo acoplado describe con precisión la absorción de agua del sistema radicular de un suelo seco y la transpiración resultante a lo largo del tiempo.

Resultados: Todos los modelos se desempeñaron de manera similar para el desafío final. Se encontró que todos necesitaban considerar explícitamente la resistencia adicional al flujo de agua en el suelo seco para evitar una gran sobreestimación de la absorción de agua por las raíces. Los diferentes simuladores utilizaron enfoques bastante diferentes para hacerlo. Si bien R-SWMS y SRI todavía sobreestimaron ligeramente la transpiración, todos los simuladores obtuvieron el orden de magnitud correcto.

A partir de esta evaluación comparativa, los autores pudieron concluir que los simuladores no tenían otros errores o errores que podrían haber hecho que sus soluciones fueran inexactas. Los conocimientos obtenidos de este desafío y la participación de los usuarios y desarrolladores de los modelos pueden conducir a mejoras adicionales en el modelo.

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Andrea Schnepf, Christopher K Black, Valentin Couvreur, Benjamin M Delory, Claude Doussan, Adrien Heymans, Mathieu Javaux, Deepanshu Khare, Axelle Koch, Timo Koch, Christian W Kuppe, Magdalena Landl, Daniel Leitner, Guillaume Lobet, Félicien Meunier, Johannes A Postma, Ernst D Schäfer, Tobias Selzner, Jan Vanderborght y Harry Vereecken. Evaluación comparativa colaborativa de modelos de arquitectura de raíz funcional-estructural: comparación cuantitativa de la absorción de agua de raíz simulada, in silico Plantas, 2023; día005, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad005

Todos los puntos de referencia y las soluciones de referencia correspondientes se publicaron en forma de Jupyter Notebooks en el repositorio de GitHub https://github.com/RSA-benchmarks/collaborative-comparison.

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