La lumière varie selon l'angle du soleil. Elle se réfléchit sur les nuages ​​et les feuilles, se diffuse et perd ainsi de son intensité. Un gradient se crée lorsqu'elle pénètre au cœur du couvert végétal. L'interception de la lumière par les feuilles est cruciale pour déterminer la productivité des plantes par modélisation informatique, mais sa description détaillée est complexe.

Il existe deux approches pour simuler les interactions lumière-plante. Les modèles de lumière unidimensionnels (1D) sont des outils simples et robustes pour estimer l'interception de la lumière des couverts homogènes. Dans le modèle le plus simplifié, la lumière provient d'une seule source aérienne ; l'angle solaire n'est pas pris en compte. L'extinction de la lumière à travers la canopée est incorporée dans ce modèle.

Des modèles arborescents (3D) plus complexes permettent de capturer les rétroactions entre l'architecture de la canopée et l'environnement lumineux. Ces modèles capturent les changements d'angle solaire tout au long de la journée et les multiples sources de lumière diffuse. Ils intègrent des rayons lumineux qui interagissent avec les auvents virtuels 3D, se reflétant sur les surfaces des plantes et se diffusant à mesure qu'ils se déplacent à travers le couvert végétal. Cette complexité s'accompagne d'une augmentation des exigences de calcul et de la complexité analytique qui limitent la personnalisation.

Dans un nouvel article publié dans in silico Plants, Yi-Chen Pao de Leibniz Universität Hannover et son co-auteurs examiner les compromis entre la simplicité et la précision des méthodes en simulant l'interaction lumière-plante et son influence sur l'acclimatation photosynthétique à long terme au niveau des feuilles et l'accumulation de matière sèche au niveau de la plante. Les auteurs ont comparé deux méthodes : un modèle de lumière 1D et un modèle de lancer de rayons 3D dans un modèle dynamique existant de concombre de serre, construit dans une plateforme de modélisation 3D appelée GroIMP (voir figure 1).

Premièrement, les auteurs devaient collecter les valeurs d'entrée pour exécuter les modèles. La plupart d'entre eux ont été collectés expérimentalement. Des plants de concombre ont été cultivés dans des serres pour l'évaluation du modèle. L'interception de la lumière, la répartition de la biomasse, la photosynthèse et l'architecture des plantes ont été mesurées. Les mesures supplémentaires pour l'entrée du modèle étaient le rayonnement photosynthétiquement actif, la température, l'apport d'azote et l'humidité relative dans la serre.

Une valeur requise pour simuler l'interaction lumière-plante est le coefficient d'extinction de la lumière k, qui représente la quantité de lumière pénétrant à travers la canopée et comment elle diminue vers le sol. k varie en fonction de la position solaire, de l'angle des feuilles et de l'agglutination, ainsi que du développement et de la configuration de la canopée. Alors que la valeur de k devaient être entrées dans le modèle 1D, le modèle 3D est capable de calculer les valeurs de k in silico.

Déterminer la variation de k expérimentalement tout au long de la saison à mesure que la surface foliaire de la canopée augmente peut être difficile. Pour déterminer combien d'erreurs seraient introduites dans la simulation en utilisant un k valeur, les auteurs ont testé la sensibilité des prédictions du modèle 1D à la k valeur utilisée. La simulation du modèle 1D a été exécutée en utilisant différentes valeurs constantes pour k. La production dépendait fortement de k – une différence de 0.2 en k a entraîné jusqu'à 27 % de perte de précision pour la matière sèche des pousses (voir figure 2).

Pour surmonter cet obstacle, les auteurs ont utilisé le modèle de lumière 3D pour simuler des scénarios artificiels de configurations de canopée afin d'estimer k pour une utilisation dans le modèle de lumière 1D.

Les auteurs ont ensuite exécuté les deux modèles et comparé leurs précisions prédictives. Ils ont constaté que la matière sèche des pousses et les estimations photosynthétiques utilisant à la fois les modèles 1D et 3D étaient comparables aux données mesurées (voir figure 3).

Selon Pao, "ces résultats suggèrent qu'avec l'aide de la structure végétale 3D et du modèle de lumière, le modèle de lumière 1D était capable de fournir des estimations et des prévisions efficaces à des fins agronomiques avec une demande de calcul réduite".

LIRE L'ARTICLE:

Yi-Chen Pao, Katrin Kahlen, Tsu-Wei Chen, Dirk Wiechers, Hartmut Stützel, Quelle est l'importance de la structure ? Comparaison de la photosynthèse de la canopée à l'aide de modèles lumineux unidimensionnels et tridimensionnels : une étude de cas utilisant des canopées de concombre de serre, in silico Plants, 2021 ; diab031, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab031

Ce manuscrit fait partie de in silico Plant's Numéro spécial sur le modèle structurel fonctionnel de l'usine.