Een team van onderzoekers van het Gran Sasso Science Institute (GSSI) en Istituto Italiano di Technologia (IIT) heeft een wiskundige benadering ontwikkeld om de communicatie tussen planten te begrijpen. In hun krant voorgepubliceerd op bioRxiv, zij stellen een volledig gekoppeld systeem voor van niet-lineaire, niet-autonome discontinue en gewone differentiaalvergelijkingen die het aanpassingsgedrag en de groei van een enkele plant nauwkeurig kunnen beschrijven, door de belangrijkste stimuli te analyseren die het gedrag van planten beïnvloeden.

Recente studies hebben aangetoond dat, in plaats van passieve organismen, planten kunnen in feite complex gedrag vertonen als reactie op omgevingsstimuli, bijvoorbeeld, hun toewijzing van middelen aanpassen, foerageerstrategieën, en groeipercentages afhankelijk van hun omgeving. Hoe planten dit netwerk van prikkels verwerken en beheren, echter, is een complexe biologische vraag die onbeantwoord blijft.

Onderzoekers hebben verschillende wiskundige modellen voorgesteld om het gedrag van planten beter te begrijpen. Niettemin, geen van deze modellen kan de complexiteit van de stimulus-signaal-gedragsketen effectief en duidelijk weergeven in de context van het interne communicatienetwerk van een plant.

Het team van onderzoekers van GSSI en IIT die de recente studie hebben uitgevoerd, had eerder de mechanismen achter communicatie tussen planten onderzocht, met als doel biologische basisprincipes voor de analyse van het wortelgedrag van planten te identificeren en te benutten. Hun eerdere werk analyseerde robotwortels in een gesimuleerde omgeving, het vertalen van een reeks biologische regels in algoritmische oplossingen.

Ook al handelde elke wortel onafhankelijk van de andere, observeerden de onderzoekers de opkomst van zelforganiserend gedrag, gericht op het optimaliseren van het interne evenwicht van voedingsstoffen op het niveau van de hele plant. Hoewel dit eerdere onderzoek interessante resultaten opleverde, het beschouwde slechts een klein deel van de complexiteit van communicatie tussen planten, de analyse van bovengrondse organen volledig buiten beschouwing latend, evenals aan fotosynthese gerelateerde processen.

"In deze krant, we streven niet naar een volledige beschrijving van de plantcomplexiteit, toch willen we de belangrijkste signalen identificeren die de groei van een plant beïnvloeden met als doel de processen te onderzoeken die een rol spelen in de intracommunicatie voor plantengroeibeslissingen, " schreven de onderzoekers in hun recente paper. "We stellen en verklaren hier een systeem van gewone differentiaalvergelijkingen (ODE's) dat, anders dan de modernste modellen, rekening houden met de hele opeenvolging van processen vanaf de opname van voedingsstoffen, fotosynthese en energieverbruik en herverdeling."

In de nieuwe studie daarom, de onderzoekers wilden een wiskundig model ontwikkelen dat de dynamiek van intra-plantcommunicatie beschrijft en de mogelijke signalen analyseert die adaptieve groeireacties in een enkele plant activeren. Dit model is gebaseerd op formuleringen over biologisch bewijs verzameld in laboratoriumexperimenten met behulp van geavanceerde technieken.

In vergelijking met bestaande modellen, hun model omvat een breder scala aan elementen, inclusief fotosynthese, zetmeel afbraak, meerdere opname en beheer van voedingsstoffen, toewijzing van biomassa, en onderhoud. Deze elementen worden grondig geanalyseerd, gezien hun interacties en hun effecten op de groei van een plant.

Om hun model te valideren en de robuustheid ervan te testen, de onderzoekers vergeleken experimentele observaties van plantgedrag met resultaten verkregen bij het toepassen van hun model in simulaties, waar ze groeiomstandigheden reproduceerden die vergelijkbaar waren met die welke van nature in planten voorkomen. Hun model bereikte een hoge nauwkeurigheid en kleine fouten, wat suggereert dat het de complexe dynamiek van communicatie tussen planten effectief kan samenvatten.

"Het model is uiteindelijk in staat om het stimulussignaal van de intracommunicatie in planten te benadrukken, en het kan worden uitgebreid en gebruikt als een nuttig hulpmiddel op het kruispunt van disciplines zoals wiskunde, robotica en biologie, bijvoorbeeld, voor de validatie van biologische hypothesen, vertaling van biologische principes in controlestrategieën of oplossing van combinatorische problemen, ', zeiden de onderzoekers in hun paper.

© 2019 Wetenschap X Netwerk