Comment le carbone est-il alloué dans une usine ? La réponse à cette question peut dépendre de l'échelle que vous envisagez. Dans le passé, cela signifiait que la réponse dépendait en quelque sorte de la façon dont vous posiez la question. MuSCA, un modèle multi-échelle d'allocation de carbone source-puits produit par Francesco Reyes et ses collègues, est un nouveau modèle qui peut fonctionner à plusieurs échelles.

Simulation de la répartition du carbone et de la croissance des fruits sur la structure d'un arbre représentée à différentes échelles spatiales au cours d'une journée. Image : Reyes et al. 2019.

Pourquoi auriez-vous besoin d'un modèle, alors que vous pouvez regarder une plante réelle ? Comme Francesco Reyes l'a expliqué, le modèle est utilisé pour voir si vous comprenez ce qui se passe dans une usine. « Les modèles de plantes sont des représentations simplifiées de certaines caractéristiques ou de certains fonctionnements des plantes. Les portées de ces modèles peuvent être de vérifier si nos connaissances sur le fonctionnement des plantes sont cohérentes avec la réalité et de prédire les réponses des plantes en réponse à des conditions environnementales et de gestion variables. Lorsque vous représentez une plante dans un modèle, vous pouvez choisir de décrire la plante à une résolution supérieure ou inférieure. La structure de la plante peut être décrite aussi grossièrement que, par exemple, une séquence de l'axe principal ou plus en détail, par exemple en identifiant chaque feuille, entre-nœud ou fruit.

« Malgré plusieurs modèles d'allocation du carbone qui existent dans la littérature, chacun d'eux représente la structure de la plante de manière différente. Or, les résultats des modèles végétaux sont influencés à la fois par la manière (de manière simpliste la « résolution ») à laquelle la structure végétale est décrite et par la description des processus physiologiques. Le modèle d'allocation carbone multi-échelles que nous avons créé permet de démêler les effets dus à ces deux facteurs. En effet, cela nous permettra d'utiliser le même ensemble de règles physiologiques tout en décrivant la même plante à différentes échelles spatiales, définies par l'utilisateur.

L'échelle peut avoir de l'importance car les détails ont un coût en temps de calcul. Le Dr Reyes a déclaré que MuSCA permet à l'utilisateur de mieux évaluer la quantité de détails dont il a besoin. « La topologie de la plante est nouvellement discrétisée sur la base de règles fournies par l'utilisateur pour regrouper les métamères de la plante en métamères plus grossiers (par exemple, axe principal, ou pousses, ….). Ceci est suivi d'un nouveau calcul des distances entre les composants végétaux nouvellement définis, qui seront utilisés pour calculer le mouvement du carbone des feuilles vers les autres organes.

Passer d'une échelle à l'autre n'est pas simple, et le modèle a demandé pas mal de travail pour le rendre fiable. « Les premiers résultats étaient assez différents de nos derniers. Il a fallu beaucoup de travail pour obtenir un modèle représentant de manière cohérente l'allocation du carbone à différentes échelles spatiales. Les interactions entre la discrétion d'une topologie végétale et les règles de flux de carbone ne sont pas anodines.

Le résultat du réglage signifie que le modèle est configuré pour reproduire une variété de pomme particulière, mais il est flexible, a déclaré le Dr Reyes. « Le modèle est calibré pour le cultivar fuji du pommier, mais sa structure et ses modules ne sont pas spécifiques à l'espèce. Il suffit de recalibrer quelques modules (courbes de croissance potentielle maximale et photosynthèse principalement) pour l'adapter à une espèce d'arbre différente. Le modèle est totalement indépendant de la plante individuelle. La structure individuelle de la plante, la distribution des fruits et des feuilles sont des entrées, et le modèle les exploite pour produire une sortie.

Bien que le modèle soit principalement à des fins de recherche, il peut être utilisé pour répondre à des questions sur l'influence de la répartition des fruits sur un arbre sur la taille de leur récolte, ce qui peut être très important pour un producteur.

"Au sens large, ce modèle nous fait réfléchir sur le fait fondamental que, comme tout modèle est une simplification de la réalité, aucun modèle n'est jamais totalement correct", a déclaré le Dr Reyes. "Des simplifications erronées ou excessives de la réalité dans un modèle mental (ou mathématique) peuvent entraîner d'importantes distorsions dans la manière dont nous pouvons interpréter et interagir davantage avec le monde réel."

« Ce modèle peut aider la communauté des chercheurs à définir des lignes directrices pour la représentation des structures végétales dans le domaine de la modélisation des plantes source-puits. Des questions telles que la manière dont la topologie spécifique de la plante peut interagir avec le choix d'une échelle spatiale spécifique peuvent également conduire à des recherches pertinentes.

Cependant, la recherche peut également avoir une pertinence bien au-delà de la botanique, a déclaré le Dr Reyes. « Le formalisme multi-échelles de re-discrétisation de la topologie végétale et d'évaluation des distances entre les composants topologiques, utilisé ici pour le mouvement du carbone, peut aussi être utilisé dans d'autres domaines (par exemple la logistique ?) car il est lié à une structure topologique générale, et non nécessairement à une plante.

"C'est fou de parcourir une structure théorique de plante régie par des règles mathématiques non linéaires tout en se demandant si la plante se comporterait vraiment de la même manière dans la réalité", a déclaré le Dr Reyes. D'autres chercheurs souhaitant travailler avec le modèle devraient pouvoir le faire avec un peu de formation, a-t-il ajouté.