OpenSimRoot

OpenSimRoot ist ein quelloffenes, funktional-strukturelles Pflanzenmodell und eine mathematische Beschreibung von Wurzelwachstum und -funktion

OpenSimRoot

Modelle bieten einen Rahmen für Daten und Konzepte, um das Verständnis komplexer Forschungssysteme zu verbessern, wie im Fall der Pflanzenwurzeln und der Prozesse, die eine effiziente Nutzung der Bodenressourcen steuern. Die Root Dynamics Group ist bestrebt, die Modellierung vollständig in den Kreislauf der Definition von Versuchsfragen, der Unterstützung der Versuchsplanung, der Interpretation von Daten und der Nutzung dieser Daten für die Simulation weiterer Experimente zu integrieren.

OpenSimRoot website

1. OpenSimRoot

OpenSimRoot
Simuliertes Wurzelsystem von Bohnen (links) und Mais (rechts), gerendert mit PARAVIEW. Wurzelsysteme bestehen aus verschiedenen Wurzelklassen, die jeweils eigene Wurzeldurchmesser, Verzweigungsregeln, Wachstumsrichtungen und Wachstumsraten aufweisen. Die Wurzelquerschnitte werden nicht simuliert, sondern veranschaulichen die Eigenschaften der Wurzelsegmente, die in OPENSIMROOT dargestellt werden. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

Ein zentrales Wurzelmodell ist OpenSimRoot, früher bekannt als SimRoot, das ursprünglich ein funktionales Strukturmodell zur Untersuchung von Wurzelphänotypen für den Nährstofferwerb war. Im Jahr 2016 stellte IBG-2 eine erweiterte Version als OpenSimRoot zur Verfügung. Das Modell erfuhr vor der Freigabe zahlreiche Verbesserungen, einschließlich der Kopplung mit tomographischen phänotypischen Informationen und mit Bodenwassermodellen, über die in Postma et al. 2017 ausführlich berichtet wird. IBG-2 beherbergt das Modell und bietet über eine Weboberfläche internationale Unterstützung für das Modell.

Zusammenarbeit
Prof. Malcolm Bennett, University of Nottingham, UK

2. Welche Modelle beschreiben die experimentellen Daten zur Wasseraufnahme der Wurzeln am besten?

OpenSimRoot
Bodensäule mit der in Pseudofarben angegebenen hydraulischen Höhe (links) und drei Gerstenwurzelsystemen (rechts), die Wasser aus dieser Säule aufnehmen. An der trockenen Oberseite ist die Wasseraufnahme negativ, was bedeutet, dass in diesem Szenario ein gewisser hydraulischer Auftrieb stattfindet

Eine große Herausforderung für die Modellierung und Forschung besteht darin, die Beschränkung des verfügbaren Bodenwassers zu verstehen. In Zusammenarbeit mit der ET-Gruppe und der Magnetresonanztomographie (MRI) werden Daten zur Wasseraufnahme pro Wurzellänge gewonnen und mit verschiedenen bestehenden und neuen Modellen getestet. Die genaue Darstellung der experimentellen Daten zur Wasseraufnahme durch die Wurzeln in den Modellen ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Identifizierung neuer wurzelbasierter Lösungen für eine effizientere Wassernutzung.

Zusammenarbeit
Root Dynamics Group: Dr. Johannes Postma, Christian Kuppe
, mit Enabling Technologies Group

3. Übertragung von Labor auf Feld: Anwendung der Modellierung zum Verständnis der Wurzelarchitektur in der Praxis

Einfluss der Pflanzdichte auf die Wurzelarchitektur

Die Steuerung der Pflanzdichte von Saatgut ist ein wichtiges und flexibles agronomisches Instrument für Landwirte. Verschiedene Anbaumodelle "raten" über den Einfluss der Pflanzdichte auf die Wurzelarchitektur, da direkte Daten fehlten und die aktuellen Anbaumodelle keine Parameter der Wurzelarchitektur berücksichtigen. Die Wurzelarchitektur der Gerste und die Aufteilung zwischen Wurzel und Spross wurden stark von der Pflanzdichte beeinflusst. Eine detaillierte Phänotypisierung zeigte, dass Pflanzen mit höherer Dichte weniger Triebe, weniger Knotenwurzeln und ein feineres Samenwurzelsystem aufwiesen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass im Labor gezüchtete Pflanzen in höherer Dichte ausgesät werden sollten, um viele Anbausysteme widerzuspiegeln. (Hecht et al., 2016).

OpenSimRoot
Die Aussaatdichte beeinflusst die Wurzelarchitektur - ein Blick auf den Feldversuch aus der Vogelperspektive

Root Dynamics Group PI: Dr. Johannes Postma mit JPPC Group PI: Dr. Kerstin Nagel und Shoot Dynamics Group PI: Prof. Uwe Rascher

Zusammenarbeit
Prof. Jens Leon, University of Bonn, Germany

4. Studien zur Wurzelplastizität

OpenSimRoot
Die Wurzelplastizität wird als zunehmende seitliche Verzweigungsdichte bei steigender Nährstoffverfügbarkeit beschrieben. Die Verfügbarkeit von Phosphor (P) ist im oberen Teil des Bodens hoch, was dazu führt, dass die Verzweigungsdichte im oberen Teil ebenfalls hoch ist. Gleichzeitig erlaubt die geringere Verzweigungsdichte in der Tiefe der Pflanze aufgrund der Plastizität ein längeres Wachstum der einzelnen Seitentriebe. Die Pseudofarben zeigen die lokale P-Verfügbarkeit.

Um das Wurzelwachstum in der Praxis zu verstehen, muss man die Plastizitätsreaktionen auf vertikale Gradienten der Bodenparameter kennen. Wir wollen die Plastizitätsreaktionen mit dem Wurzelarchitekturmodell OpenSimRoot beschreiben, um mögliche Vorteile und Kompromisse in Bezug auf die Nährstoff- und Wasseraufnahme abzuschätzen.

Kontakt

  • Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)
  • Pflanzenwissenschaften (IBG-2)
Gebäude 06.1 /
Raum 211
+49 2461/61-85013
E-Mail

Dr. Johannes Auke Postma

Co-Leader Root Group

  • Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)
  • Pflanzenwissenschaften (IBG-2)
Gebäude 06.1 /
Raum 015
+49 2461/61-4333
E-Mail

Zusammenarbeit
Dr. Frank Hochholdinger, University of Bonn, Germany
Dr. Richard Whalley, Rothamsted Research Centre, UK

5. Entwicklung von Rhizosphärenmodellen

Die Biologie und Chemie der Rhizosphäre wird von der Pflanze manipuliert und hat große Auswirkungen auf die Nährstoffaufnahme und die Wurzelarchitektur. Wir entwickeln Modelle, um diese interaktive Wirkung zu verstehen

Root Dynamics Group PIs: Christian Kuppe, Dr. Josefine Nestler and Dr. Johannes Postma

REFERENZEN

Postma, J.A.,  Kuppe, C., Owen, M.R., Mellor, N., Watt, M., et al. (2017) OpenSimRoot: widening the scope and application of root architectural modelsont. New Phytologist, 215(3), 1274-1286.

Hecht, V.L., Temperton, V.M., Nagel, K.A., Rascher, U. and Postma, J. (2016) Sowing Density: A Neglected Factor Fundamentally Affecting Root Distribution and Biomass Allocation of Field Grown Spring Barley (Hordeum Vulgare L.). Front. Plant Sci.

Letzte Änderung: 31.08.2022