Los relojes circadianos de las plantas producen una estimación interna del tiempo que sincroniza los eventos biológicos con el día y la noche. Juegan un papel fundamental en fisiología vegetal, crecimiento, desarrollo y supervivencia. Por lo tanto, la inclusión de los ritmos circadianos en los modelos de crecimiento de cultivos es esencial para obtener resultados de alta fidelidad.
Si bien existen modelos de relojes circadianos, a menudo son inflexibles o generan resultados complejos, lo que limita su uso en simulaciones generales.
El investigador postdoctoral Edward Lochocki y el fisiólogo de plantas de investigación USDA-ARS Justin McGrath, ambos de la Universidad de Illinois, desarrollaron un nuevo modelo de reloj circadiano que se adapta fácilmente a diferentes condiciones ambientales y produce resultados intuitivos.
Los relojes del mundo real usan osciladores físicos como péndulos para medir el tiempo, y los autores usaron el mismo enfoque para modelar relojes circadianos con osciladores matemáticos. El modelo incluía dos osciladores que estaban controlados por el amanecer y el anochecer, que podían dar cuenta del cambio en la duración del día durante un año.
“Muchos modelos de cultivos calculan las horas diarias de salida del sol y la duración del fotoperíodo utilizando la mecánica celeste, que son representaciones matemáticas de las coordenadas solares que se utilizan para calcular la salida del sol, la puesta del sol y la duración del fotoperíodo”, dice McGrath. “Si bien este enfoque se entiende fácilmente y se usa directamente como entrada para otros componentes del modelo, no proporciona un vínculo intuitivo entre los componentes genéticos y el comportamiento de la planta. Nuestro modelo de oscilador tiene componentes fácilmente relacionados con componentes genéticos conocidos del reloj circadiano. Esto permite una incorporación más fácil de las influencias ambientales, como la temperatura, al alterar la cinética de los osciladores modelados”.
Los autores compararon las fechas de floración previstas para la soja sembrada durante todo el año por el Modelo de desarrollo de soja CROPGRO utilizando su modelo de reloj oscilador o la mecánica celeste. Descubrieron que el tiempo de floración utilizando el modelo de reloj oscilador coincidía estrechamente con el rendimiento de la mecánica celeste.
Los autores también compararon las fechas de floración previstas para la soja sembrada a lo largo del año ejecutando CROPGRO con su modelo de reloj oscilador o grados día de crecimiento (GDD). Los GDD usan días acumulados con temperatura superior a la mínima para predecir las transiciones del ciclo de vida en las plantas. Dependen únicamente de la temperatura y se utilizan para estimar el desarrollo de la soja, donde se supone que las etapas de desarrollo ocurren en determinados umbrales de GDD.
Según Lochocki, “aunque modelar los componentes moleculares del reloj circadiano proporciona la forma más intuitiva de examinar cómo las alteraciones genéticas afectan el comportamiento de las plantas, dicho modelo es demasiado costoso desde el punto de vista computacional para resolverlo como parte de una simulación completa del crecimiento del cultivo durante toda una temporada. Un modelo simplificado que captura la funcionalidad general de la red de genes permite estudiar el comportamiento general del sistema, si no los detalles, de una manera matemáticamente manejable”.
Otro enfoque para modelar el reloj circadiano es el reloj de redes de genes, que son sistemas de ecuaciones diferenciales que representan redes de genes que funcionan independientemente de la fuente de luz. Si bien vinculan la genética y el comportamiento de las plantas, requieren un conocimiento detallado de la vía reguladora entre el reloj y los genes relevantes para ser precisos.
