En matematisk tilgang til at forstå intra-plant kommunikation

Et team af forskere ved Gran Sasso Science Institute (GSSI) og Istituto Italiano di Technologia (IIT) har udtænkt en matematisk tilgang til at forstå intra-plante kommunikation. I deres papir, forudgivet på bioRxiv, de foreslår et fuldt koblet system af ikke-lineære, ikke-autonome diskontinuerlige og almindelige differentialligninger, der nøjagtigt kan beskrive en enkelt plantes tilpasningsadfærd og vækst, ved at analysere de vigtigste stimuli, der påvirker planternes adfærd.

Nylige undersøgelser har fundet ud af, at snarere end at være passive organismer, planter kan faktisk udvise kompleks adfærd som reaktion på miljøstimuli, for eksempel, tilpasse deres ressourceallokering, fourageringsstrategier, og vækstrater i henhold til deres omgivende miljø. Hvordan planter behandler og håndterer dette netværk af stimuli, imidlertid, er et komplekst biologisk spørgsmål, der forbliver ubesvaret.

Forskere har foreslået flere matematiske modeller for at opnå en bedre forståelse af planternes adfærd. Ikke desto mindre, ingen af ​​disse modeller kan effektivt og klart skildre kompleksiteten af ​​stimulus-signal-adfærdskæden i sammenhæng med en plantes interne kommunikationsnetværk.

Holdet af forskere ved GSSI og IIT, der udførte den nylige undersøgelse, havde tidligere undersøgt mekanismerne bag intra-plante kommunikation, med det formål at identificere og udnytte grundlæggende biologiske principper til analyse af planterods adfærd. Deres tidligere arbejde analyserede robotrødder i et simuleret miljø, at omsætte et sæt biologiske regler til algoritmiske løsninger.

Selvom hver rod handlede uafhængigt af de andre, forskerne observerede fremkomsten af ​​en eller anden selvorganiserende adfærd, rettet mod at optimere den indre ligevægt af næringsstoffer på hele planteniveau. Mens denne tidligere undersøgelse gav interessante resultater, det betragtede blot en lille del af kompleksiteten af ​​intra-plant kommunikation, helt uden hensyntagen til analysen af ​​overjordiske organer, samt fotosyntese-relaterede processer.

"I denne avis, vi stræber ikke efter at få en fuldstændig beskrivelse af anlæggets kompleksitet, alligevel ønsker vi at identificere de vigtigste tegn, der påvirker væksten af ​​en plante med det formål at undersøge de processer, der spiller en rolle i intra-kommunikationen for plantevækstbeslutninger, " skrev forskerne i deres nylige papir. "Vi foreslår og forklarer her et system af almindelige differentialligninger (ODE'er), der, anderledes end de nyeste modeller, tage højde for hele sekvensen af ​​processer fra næringsstofoptagelse, fotosyntese og energiforbrug og omfordeling."

I den nye undersøgelse, derfor, forskerne satte sig for at udvikle en matematisk model, der beskriver dynamikken i intra-plante kommunikation og analyserer de mulige signaler, der aktiverer adaptive vækstresponser i en enkelt plante. Denne model er baseret på formuleringer om biologisk evidens indsamlet i laboratorieforsøg ved brug af avancerede teknikker.

Sammenlignet med eksisterende modeller, deres model dækker et bredere udvalg af elementer, herunder fotosyntese, nedbrydning af stivelse, optagelse og håndtering af flere næringsstoffer, biomasseallokering, og vedligeholdelse. Disse elementer er analyseret i dybden, i betragtning af deres interaktioner og deres indvirkning på en plantes vækst.

For at validere deres model og teste dens robusthed, forskerne sammenlignede eksperimentelle observationer af planternes adfærd med resultater opnået ved anvendelse af deres model i simuleringer, hvor de reproducerede vækstbetingelser svarende til dem, der forekommer naturligt i planter. Deres model opnåede høj nøjagtighed og mindre fejl, tyder på, at det effektivt kan opsummere den komplekse dynamik af intra-plant kommunikation.

"Modellen er i sidste ende i stand til at fremhæve stimulussignalet fra intra-kommunikationen i planter, og det kan udvides og anvendes som et nyttigt værktøj i krydsfeltet mellem discipliner som matematik, robotik og biologi, for eksempel, til validering af biologiske hypoteser, oversættelse af biologiske principper til kontrolstrategier eller løsning af kombinatoriske problemer, " sagde forskerne i deres papir.

© 2019 Science X Network