GreenLab: функционально-структурная модель растений для устойчивого сельского хозяйства

Для обеспечения продовольственной безопасности в условиях изменения климата и роста населения необходимы устойчивые сельскохозяйственные системы. Ключевые стратегии включают генетическое улучшение культур и оптимизацию методов управления. В этом помогают модели роста растений, которые симулируют взаимодействие генетических, средовых и управленческих факторов (G×E×M).

Модель GreenLab выделяется среди них детальным моделированием на уровне органов, учитывающим физиологические и морфологические реакции на условия среды. Однако она упрощает влияние среды до единого фактора, что недостаточно для учета тонких эффектов климата, почвы и практик земледелия на урожай.

В феврале 2024 года в журнале Plant Phenomics вышла обзорная статья, посвященная модели GreenLab. В ней представлен всесторонний анализ: история развития, основные концепции, теории, приложения, программные инструменты и будущие направления.

Основы и развитие модели

• Происхождение: Модель берет начало от подхода AMAP и интегрирует ботанические концепции, такие как физиологический возраст и динамика «источник–сток».
• Совместная разработка: На протяжении более 20 лет институты Китая и Франции совершенствовали GreenLab, превратив её в сложную модель, симулирующую рост на уровне органов для различных растений — от травянистых видов до деревьев.
• Эволюция: Развитие от детерминированной к стохастической версии расширило возможности модели, позволив с высокой точностью симулировать разнообразные модели роста и архитектурную сложность.

Возможности и применение

• Детальное моделирование: GreenLab предлагает детальные симуляции производства и распределения биомассы, используя математические уравнения для эффективной параметризации.
• Ключевое преимущество: Модель способна отражать динамическое взаимодействие между развитием и ростом, улавливая тонкие эффекты факторов среды на структуру растения и урожай.
• Универсальность: Приложения GreenLab охватывают различные виды растений, включая полевые и садовые культуры, а также деревья в разных условиях среды.
• Точность: Процесс калибровки модели, требующий детальных данных об архитектуре и биомассе растения, подчеркивает её точность.

Интеграция с технологиями и будущее

• Современные технологии: Интеграция GreenLab с такими технологиями, как скоростное селектирование (speed breeding) и искусственный интеллект, открывает новую эру в моделировании, позволяя быстрое фенотипирование и прогнозирование урожая.
• Программные инструменты: Разработанные для GreenLab инструменты (Visualplant, XPlantGL) облегчают симуляции и калибровку для исследователей.
• Перспективы: Модель обладает потенциалом для объединения генетических, физиологических и экологических исследований, предлагая решения для адаптации сельского хозяйства к климатическим вызовам.