La lumière est un facteur essentiel pour la croissance des cultures et le développement de la production agricole. Les plantes absorbent les longueurs d’onde rouges à travers des pigments photosynthétiques tandis que les longueurs d’onde du rouge lointain sont réfléchies et transmises par les feuilles vertes des plantes voisines. Cela diminue le rapport rouge/rouge lointain dans la canopée.
Les plantes sont sensibles au rapport rouge: rouge lointain – des niveaux inférieurs induisent des changements du niveau phénotypique au niveau moléculaire, y compris la hauteur de la plante, la morphologie des feuilles, la biomasse, l’ultrastructure des chloroplastes et les caractéristiques photosynthétiques. Ces effets permettent à la plante de capter plus d’énergie lumineuse, ce qui maximise la croissance et la forme physique des plantes dans les peuplements surpeuplés. Malgré le rôle important que joue le rapport rouge: rouge lointain dans le développement des plantes, il y a eu un succès limité dans l’évaluation de la façon dont il affecte la morphogenèse au sein d’un couvert végétal car il est difficile à mesurer. La clé pour percer ce mystère est l’utilisation de la modélisation structurelle fonctionnelle des plantes pour évaluer comment divers modèles de transfert radiatif influencent la simulation du rapport rouge: rouge lointain et la croissance de la structure des feuilles qui en résulte à l’aide de modèles informatiques.
Arthur Couturier, étudiant diplômé de l’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) et ses collègues ont récemment publié un article dans en silicone Plantes qui présentent de nouvelles méthodes basées sur des modèles pour décrire la variabilité spatiale et temporelle du rapport rouge: rouge lointain. Les auteurs ont évalué différentes méthodes utilisées dans la modélisation de la lumière pour déterminer laquelle était la plus précise.
Les méthodes évaluées par les auteurs étaient :
- l’approche du modèle léger,
- la méthode d’échange radiatif, et
- l’échelle considérée pour intercepter les rayons lumineux.
« Nous avons simulé l’approche du modèle d’éclairage de deux manières », explique Couturier. « La méthode du milieu trouble représente la canopée avec un réseau de cellules 3D. Il calcule ensuite le transfert radiatif au sein de chaque cellule individuelle. Cette approche ne tient pas pleinement compte de l’effet de la position et de l’orientation des organes individuels. Le modèle RIRI a utilisé cette approche. La méthode de radiosité calcule le transfert radiatif en tenant compte de la géométrie de chaque élément de feuillage individuel et nécessite un temps de calcul important. Le modèle CANESTRA a utilisé cette approche.
Les méthodes d’échange radiatif ont été considérées sans pour autant diffusion (seule l’interception directe de la lumière est prise en compte) et avec diffusion de la lumière dans toutes les directions après avoir été interceptée par les phytoéléments. Bien que la diffusion de la lumière soit représentative de ce qui se passe dans la canopée, elle nécessite beaucoup de calculs. Par conséquent, il est utile d’évaluer son impact sur la morphogenèse.
Trois échelles d’interception des rayons lumineux ont été considérées :
- L’échelle ‘Organe’ a été calculée à partir de l’irradiance de la surface de l’organe considéré,
- l’échelle ‘Face’ calculée à partir de l’irradiance interceptée par la surface horizontale inférieure du voxel où se trouve l’organe considéré, et
- l’échelle ‘Voxel’ calculée à partir de l’irradiance d’un voxel considéré en utilisant une approche turbide-moyenne.
Les auteurs ont ensuite effectué des simulations en utilisant les cinq méthodes intégrées dans le modèle Virtual GrassLand existant pour déterminer la croissance des pétioles et des entre-nœuds. L’étude a porté sur deux espèces végétales à l’architecture contrastée : la luzerne qui pousse verticalement et le trèfle blanc qui pousse horizontalement le long du sol.
Les cinq méthodes ont produit des rapports moyens rouges/rouges lointains variés subis par les entre-nœuds et les pétioles à l’intérieur de la canopée pendant la saison de croissance. Comme mentionné précédemment, le rapport est difficile à mesurer et il est donc difficile de déterminer quelle méthode a produit les valeurs les plus réalistes. Cependant, la diminution précoce du rapport rouge: rouge lointain produite par les méthodes d’organes CANESTRA indique qu’elles peuvent détecter la présence d’organes végétaux voisins dans les premiers stades de développement, tandis que les trois autres méthodes ne montrent qu’une diminution du rapport plus tard lorsque les feuilles sont présentes. .
Fait intéressant, l’inclusion de la diffusion n’a pas affecté l’interception du rapport rouge: rouge lointain pour les simulations effectuées avec le modèle CANESTRA Organ, mais a eu un fort impact sur les simulations effectuées avec le modèle CANESTRA Face. Par conséquent, l’utilisation de la diffusion ayant un coût en temps de calcul élevé, son utilisation doit être choisie en fonction des besoins de précision de la simulation compte tenu des faibles différences observées.
La morphogenèse des plantes exprimée par la longueur simulée du pétiole et des entre-nœuds était sensible au type de modèle de rayonnement, en particulier à un stade précoce de développement. La luzerne, qui a un port vertical et plus d’auto-ombrage que le trèfle à croissance horizontale, était plus sensible aux variations du rapport rouge/rouge lointain.
Étant donné que le rapport rouge: rouge lointain a un effet si important sur les plantes, l’amélioration du cadre utilisé pour le représenter est essentielle pour modéliser les efforts visant à augmenter les rendements des cultures. Ce travail a montré que le choix du modèle doit être fait en fonction des besoins de l’objet de la recherche et de la disponibilité des ressources de calcul. Les auteurs fournissent un tableau récapitulatif concernant les avantages et les inconvénients de chacun des cinq modèles et leur utilisation suggérée par rapport aux questions de recherche soulevées.
LIRE L’ARTICLE:
Arthur Couturier, Elzbieta Frak, Quentin Rambaud, Gaëtan Louarn, Romain Barillot, Jean-Louis Durand, Abraham Escobar-Gutiérrez, Didier Combes, Quelle est l’influence des modèles de transfert radiatif sur le rouge : simulation en rouge lointain et modélisation ultérieure de la photomorphogénèse végétale ? Plantes in silico, 2022, diac013, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac013
