La luz es el parámetro de entrada más importante para un modelo de fotosíntesis. Modelar la distribución de la radiación solar interceptada por las hojas en el dosel de una planta es difícil porque la disposición espacial de las hojas crea un campo complejo de sombras y manchas solares. Los modelos tradicionales no consideran directamente las manchas solares y las sombras en las hojas individuales, sino que utilizan un enfoque estadístico para determinar los niveles promedio de luz en el dosel, que luego se pueden ingresar en un modelo de fotosíntesis, entre otros.
Los modelos tridimensionales (3D) que representan explícitamente cada hoja del dosel se han convertido en una herramienta cada vez más valiosa para comprender las interacciones entre la estructura y la función de las plantas. En esta clase de modelo, la luz generalmente se promedia sobre una hoja completa en lugar de todo el dosel. A menudo se asume implícitamente que representar cada hoja en el dosel proporciona un rendimiento de modelo superior en comparación con los enfoques de modelado estadístico tradicionales.
El profesor Brian Bailey y el investigador postdoctoral Eric Kent del Departamento de Ciencias de las Plantas de la Universidad de California, Davis, demuestran que promediar sobre una hoja entera (como se hace típicamente en los modelos 3D) puede resultar en errores mucho mayores en la fotosíntesis del dosel completo que los modelos estadísticos tradicionales. Muestran que los modelos de resolución de hojas en 3D deben representar fielmente las sombras en las hojas, lo que requiere resoluciones de modelo mucho más altas que las que utiliza actualmente la comunidad.
“Las sombras proyectadas por las hojas vecinas en el dosel de una planta crean gradientes espaciales extremadamente grandes en la radiación absorbida en la escala inferior a la hoja, que generalmente no se resuelven por completo en los modelos de “resolución de hojas”. Esta incapacidad para resolver los gradientes radiativos agudos puede propagarse a otros modelos biofísicos dependientes y dar como resultado una predicción exagerada de los flujos de toda la planta y el dosel”, dice Bailey.
Los autores utilizaron Helios, un marco de modelado ambiental y vegetal tridimensional creado previamente por Bailey, para determinar cómo la variación en la estructura del dosel afecta los resultados del modelo de absorción de radiación y fotosíntesis del dosel. Consideraron tres factores que afectan la estructura del dosel:
- El ángulo de las hojas dentro de un dosel afecta la intercepción de la luz. Los ángulos de las hojas se generaron de acuerdo con uno de los cuatro tipos de distribución teóricos.
- El tamaño del dosel y su densidad también afectan la intercepción de la luz y se mide como índice de área foliar (LAI), la relación del área foliar por unidad de superficie. El número de hojas en el dosel se eligió para lograr uno de los cuatro valores de LAI: 0.5, 1.0, 2.0 y 3.0 (enumerados en orden de abierto a denso).
- La calidad de la luz es tan importante como la cantidad. Radiación directa es la luz que viene directamente de un camino directo desde el sol. Radiación difusa es la luz que ha sido dispersada por moléculas y partículas. La fracción de radiación difusa es la relación entre la radiación solar difusa y la global. Las plantas utilizan la luz difusa de manera más eficiente que la luz directa. Se realizaron simulaciones separadas con una fracción de radiación difusa variable: 0, 0.1 y 0.2 (enumeradas en orden de radiación menos a más difusa).
Descubrieron que las configuraciones del dosel que reducen la entropía de la radiación son más sensibles al error en las estimaciones de la fotosíntesis del dosel. Se encontró que los errores aumentan para las configuraciones del dosel (1) con un LAI mayor, a medida que el dosel se vuelve más denso, (2) cuando la distribución del ángulo de la hoja es más horizontal, lo que provoca que aumente la fracción del área foliar proyectada en la dirección del sol, y (3 ) cuando se redujo la fracción de radiación difusa entrante.
Para probar el efecto de la resolución en la salida del modelo, los autores manipularon el número de subelementos por hoja. Para cada simulación, el número de subelementos por hoja fue: 1, 9, 100 y 225 por hoja (de baja a alta resolución).
Cuando se utilizó sólo un elemento por hoja (es decir, resolución como una hoja completa), los errores en la fotosíntesis fueron muy altos (>100%). Los errores disminuyeron exponencialmente a medida que aumentaba el número de elementos por hoja.
“Creemos que estos resultados alentarán a los investigadores a considerar más de cerca el impacto de la resolución de la subhoja en los errores del modelo. Si bien no recomendamos ninguna resolución específica, ya que esto variará según el modelo de planta y la geometría del dosel, es probable que provoque un aumento en la resolución del modelo en relación con la práctica común actual”, dice Bailey.
ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN:
Brian N Bailey, Eric R Kent, sobre los requisitos de resolución para representar con precisión las interacciones entre la estructura y la función del dosel vegetal en modelos tridimensionales de resolución de hojas, in silico Plants, 2021;, diab023, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab023
