Les horloges circadiennes des plantes produisent une estimation interne du temps qui synchronise les événements biologiques avec le jour et la nuit. Ils jouent un rôle critique dans physiologie, croissance, développement et survie des plantes. Par conséquent, l'inclusion des rythmes circadiens dans les modèles de croissance des cultures est essentielle pour des résultats de haute fidélité.
Bien qu'il existe des modèles d'horloge circadienne, ils sont souvent rigides ou entraînent des sorties complexes, ce qui limite leur utilisation dans les simulations générales.
Le chercheur postdoctoral Edward Lochocki et le physiologiste des plantes de recherche USDA-ARS Justin McGrath, tous deux de l'Université de l'Illinois, ont développé un nouveau modèle d'horloge circadienne qui s'adapte facilement aux différentes conditions environnementales et produit des sorties intuitives.
Les horloges du monde réel utilisent des oscillateurs physiques tels que des pendules pour garder le temps, et les auteurs ont utilisé la même approche pour modéliser les horloges circadiennes avec des oscillateurs mathématiques. Le modèle comprenait deux oscillateurs contrôlés par le début de l'aube et du crépuscule, capables de tenir compte de la variation de la durée du jour sur une année.
"De nombreux modèles de cultures calculent les heures de lever de soleil quotidiennes et les durées de photopériode à l'aide de la mécanique céleste, qui sont des représentations mathématiques des coordonnées solaires utilisées pour calculer le lever, le coucher du soleil et la durée de la photopériode", explique McGrath. «Bien que cette approche soit facilement comprise et directement utilisée comme entrée pour d'autres composants du modèle, elle ne fournit pas de lien intuitif entre les composants génétiques et le comportement des plantes. Notre modèle d'oscillateur a des composants facilement liés aux composants génétiques connus de l'horloge circadienne. Cela permet une incorporation plus facile des influences environnementales, telles que la température, en modifiant la cinétique des oscillateurs modélisés.
Les auteurs ont comparé les dates de floraison prévues pour le soja semé tout au long de l'année par les Modèle de développement du soja CROPGRO en utilisant soit leur modèle d'horloge d'oscillateur, soit la mécanique céleste. Ils ont découvert que le temps de floraison utilisant le modèle d'horloge à oscillateur correspondait étroitement aux performances de la mécanique céleste.
Les auteurs ont également comparé les dates de floraison prévues pour le soja semé tout au long de l'année en exécutant CROPGRO avec leur modèle d'horloge à oscillateur ou les degrés-jours de croissance (GDD). Les GDD utilisent les jours cumulés avec une température supérieure à la température minimale pour prédire les transitions du cycle de vie des plantes. Ils dépendent uniquement de la température et sont utilisés pour estimer le développement du soja, où les stades de développement sont supposés se produire à des seuils GDD particuliers.
Selon Lochocki, "Bien que la modélisation des composants moléculaires de l'horloge circadienne fournisse le moyen le plus intuitif d'examiner comment les altérations génétiques affectent le comportement des plantes, un tel modèle est trop coûteux en calcul pour être résolu dans le cadre d'une simulation complète de la croissance des cultures pour une saison entière. Un modèle simplifié qui capture la fonctionnalité globale du réseau de gènes permet d'étudier le comportement général du système, sinon les détails, d'une manière mathématiquement traitable.
Une autre approche pour modéliser l'horloge circadienne est l'horloge du réseau de gènes, qui sont des systèmes d'équations différentielles représentant des réseaux de gènes qui fonctionnent indépendamment de la source lumineuse. Bien qu'ils lient la génétique et le comportement des plantes, ils nécessitent une connaissance détaillée de la voie de régulation entre l'horloge et les gènes concernés pour être précis.
