El cambio climático alterará la disponibilidad de recursos afectando el rendimiento de la planta. Una forma en que las plantas responderán a estos cambios es a través de cambios en el fenotipo (es decir, rasgos). La capacidad de los genotipos individuales para producir diferentes fenotipos cuando se exponen a condiciones ambientales únicas se denomina plasticidad fenotípica. Comprender las respuestas plásticas es crucial para predecir y gestionar los efectos del cambio climático en las plantas. El modelado computacional de plantas ofrece información sobre las interacciones planta-ambiente y la plasticidad fenotípica resultante.
Dr. Romain Barillot y colegas, investigadores del Instituto Nacional de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente de Francia (INRAE), usó un modelo de computadora para explorar los procesos subyacentes a la morfogénesis de los brotes – el proceso biológico que hace que los brotes desarrollen su forma.
Por lo general, el trigo produce muchas ramas (es decir, tallos), pero las plantas que carecen de los genes que controlan la ramificación presentan un fenotipo de monoculmo. El uso de monoculmos permite a los investigadores centrarse en simular la plasticidad del crecimiento de las hojas sin tener que considerar las reglas putativas de la aparición de retoños. Por esta razón, los autores adaptaron CN-Trigo, un modelo mecanicista que integra completamente la morfogénesis de los brotes y el metabolismo del carbono (C) y el nitrógeno (N) a escala de órganos, dentro de una representación tridimensional de la arquitectura de la planta, para simular el crecimiento de monoculmos.
Según Barillot y sus colegas, “la plasticidad de las hojas en modelos de césped anteriores se define a partir de datos empíricos, lo que limita nuestra capacidad para explorar la respuesta de las plantas a la amplia gama de nuevas condiciones de crecimiento previstas debido al cambio climático. Lo que es único acerca de CN-Wheat es que considera explícitamente el papel de la economía de carbono y nitrógeno de toda la planta en interacción con las condiciones ambientales. El modelo utiliza circuitos de retroalimentación entre la adquisición de carbono y nitrógeno y las respuestas a las concentraciones de metabolitos para impulsar la morfogénesis, lo que nos permite explorar mecánicamente la respuesta de las plantas que crecen en una amplia gama de entornos".
Los autores utilizaron el CN-Wheat modificado para explorar cómo la morfogénesis bajo una variedad de condiciones de crecimiento afectaba la plasticidad de los principales rasgos foliares. Se realizaron simulaciones con plantas que crecían bajo un rango de densidades de plantación que interactuaban, concentraciones de N en el suelo y radiación fotosintéticamente activa incidente, que es la luz disponible para la fotosíntesis. Luego, los autores evalúan las dimensiones de la planta, la biomasa, el área foliar específica y el contenido de nitrógeno.
Los autores encontraron que el modelo simulaba una plasticidad fenotípica realista para contrastar la disponibilidad de luz y la fertilización con N. Por ejemplo, como respuesta al aumento de la PAR incidente, el modelo simuló, a nivel de toda la planta, una fracción decreciente de masa seca asignada a las raíces (Fig. 1) y una emergencia de hojas más rápida y, a nivel de hojas, hojas más gruesas y anchas. hojas (figura 2). Además, como respuesta al aumento de la concentración de N en el suelo, el modelo simuló, a nivel de toda la planta, una disminución de la masa seca brote:raíz (Fig. 1) y una emergencia más rápida de las hojas y, a nivel de las hojas, un aumento del grosor, el ancho y la densidad. longitud (figura 2).
Estos resultados demuestran que la integración del funcionamiento de las plantas a escala de órganos puede simular, como una propiedad emergente, la plasticidad fenotípica de las plantas en condiciones contrastantes de luz y nitrógeno.
Barillot concluye: “CN-Wheat proporciona una descripción original y explícita de los procesos subyacentes a la morfogénesis, que ofrece nuevas posibilidades para vincular la plasticidad fenotípica de las plantas con su estado metabólico de C y N en el lugar y el momento en que se construyen los rasgos. Este nivel único de integración hace que CN-Wheat sea una buena herramienta para explorar el funcionamiento de las plantas en entornos contrastantes y abre nuevas posibilidades para dar cuenta de las interacciones genotipo-ambiente”.
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Marion Gauthier, Romain Barillot, Bruno Andrieu, Simulación de la plasticidad fenotípica del pasto como una propiedad emergente de las respuestas de la zona de crecimiento a los metabolitos de carbono y nitrógeno, in silico Plants, 2021, diab034, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab034
Este manuscrito es parte de in silico Plant's Edición especial del Modelo Estructural Funcional de la Planta.
