Simulating the phenotypic plasticity of grasses as property emerging from local processes : A functional-structural model that couples morphogenesis with the carbon and nitrogen metabolism
Simuler la plasticité phénotypique des Poacées comme propriété émergente de processus locaux : Un modèle structure-fonction couplant la morphogénèse et le métabolisme du carbone et de l’azote
Résumé
Phenotypic plasticity - the ability of one genotype to produce different phenotypes depending on growth conditions - is a core aspect of the interactions between the plants and their environment. Models are useful tools allowing integrating these feedback loops between shoot architecture and growth conditions so simulating their outputs, especially functional-structural plant models (FSPM) as they account for an explicit description of individual plant architecture. To date, the existing crop FSPM that address the coupling between resource availability and growth are hampered by their lack of capacity to simulate shoot morphogenesis as they lack processed-based formalism. This work aims to build a FSPM that includes morphogenesis, which simulates mechanistically the whole plant functioning and trait acquisition as properties arising from the feedback between morphogenesis, environmental factors and source–sink activities within the plant. The model is driven by carbon and nitrogen metabolism in each organ and coordination rules between successive leaves. In parallel with the development of the model, an experiment was performed to collect useful data for the model calibration and evaluation. The model was calibrated for wheat. It simulated realistic patterns of leaf traits and the variation of leaf traits with growth conditions was coherent with the bibliography. Interestingly, the model simulated, as emergent properties, key traits at organ and plant scales that are taken as inputs in most models: pattern of mature leaf dimensions along the culm, phyllochron stability, realistic shoot/roots ratio, etc.
La plasticité phénotypique, la capacité d’un génotype à adapter son phénotype à ses conditions de croissance, est un aspect essentiel des interactions plante-environnement. Les modèles sont des outils permettant d’intégrer ces interactions, en particulier les modèles structure-fonction (FSPM) car ils proposent une description explicite de l'architecture de la plante. À ce jour, les FSPM traitant du couplage entre la disponibilité des ressources et la croissance sont limités car ils reposent largement sur des formalismes empiriques. L'objectif est de construire un FSPM de morphogenèse aérienne de Poacées qui considère le fonctionnement de la plante entière et qui simule l'acquisition de traits comme propriétés résultant des interactions entre la morphogenèse, les facteurs environnementaux et les activités source-puits au sein de la plante. Le modèle est piloté par le métabolisme du carbone et de l’azote dans chaque organe et par des règles de coordinations entre feuilles successives. Parallèlement au développement du modèle, une expérimentation a été menée pour recueillir des données nécessaires à la calibration et à l’évaluation du modèle. Le modèle a été calibré pour le blé et a simulé des traits foliaires et de plante réalistes, et la réponse de ces traits aux conditions de croissance était cohérente avec la bibliographie. En particulier, le modèle a simulé, comme propriétés émergentes, des caractéristiques clés qui sont fixes ou simulées empiriquement dans la plupart des modèles : profil de dimensions finales des feuilles, stabilité du phyllochrone, rapport aérien/souterrain, dilution du N, etc.
Origine : Version validée par le jury (STAR)