Un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Gran Sasso (GSSI) y el Istituto Italiano di Technologia (IIT) ha ideado un enfoque matemático para comprender la comunicación dentro de la planta. En su papel prepublicado en bioRxiv, proponen un sistema totalmente acoplado de no lineal, Ecuaciones diferenciales ordinarias y discontinuas no autónomas que pueden describir con precisión el comportamiento de adaptación y el crecimiento de una sola planta, analizando los principales estímulos que afectan el comportamiento de las plantas.

Estudios recientes han encontrado que en lugar de ser organismos pasivos, las plantas pueden exhibir comportamientos complejos en respuesta a estímulos ambientales, por ejemplo, adaptar su asignación de recursos, estrategias de forrajeo, y tasas de crecimiento de acuerdo con su entorno circundante. Cómo las plantas procesan y gestionan esta red de estímulos, sin embargo, es una cuestión biológica compleja que permanece sin respuesta.

Los investigadores han propuesto varios modelos matemáticos para lograr una mejor comprensión del comportamiento de las plantas. Sin embargo, Ninguno de estos modelos puede representar de manera clara y efectiva la complejidad de la cadena de estímulo-señal-comportamiento en el contexto de la red de comunicación interna de una planta.

El equipo de investigadores de GSSI e IIT que llevó a cabo el estudio reciente había investigado previamente los mecanismos detrás de la comunicación dentro de la planta. con el objetivo de identificar y explotar los principios biológicos básicos para el análisis del comportamiento de las raíces de las plantas. Su trabajo anterior analizó las raíces robóticas en un entorno simulado, traducir un conjunto de reglas biológicas en soluciones algorítmicas.

Aunque cada raíz actuó independientemente de las demás, los investigadores observaron la aparición de algún comportamiento autoorganizado, destinado a optimizar el equilibrio interno de nutrientes a nivel de toda la planta. Si bien este estudio anterior arrojó resultados interesantes, simplemente consideró una pequeña parte de la complejidad de la comunicación dentro de la planta, ignorando por completo el análisis de los órganos aéreos, así como procesos relacionados con la fotosíntesis.

"En este papel, no aspiramos a obtener una descripción completa de la complejidad de la planta, Sin embargo, queremos identificar las principales señales que influyen en el crecimiento de una planta con el objetivo de investigar los procesos que juegan un papel en la intracomunicación para las decisiones de crecimiento de las plantas. "escribieron los investigadores en su artículo reciente." Proponemos y explicamos aquí un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) que, diferente a los modelos de última generación, tener en cuenta toda la secuencia de procesos a partir de la absorción de nutrientes, fotosíntesis y consumo y redistribución de energía ".

En el nuevo estudio, por lo tanto, los investigadores se propusieron desarrollar un modelo matemático que describe la dinámica de la comunicación intraplanta y analiza las posibles señales que activan las respuestas de crecimiento adaptativo en una sola planta. Este modelo se basa en formulaciones sobre evidencia biológica recopilada en experimentos de laboratorio utilizando técnicas de vanguardia.

En comparación con los modelos existentes, su modelo cubre una gama más amplia de elementos, incluida la fotosíntesis, degradación del almidón, absorción y manejo de múltiples nutrientes, asignación de biomasa, y mantenimiento. Estos elementos se analizan en profundidad, considerando sus interacciones y sus efectos en el crecimiento de una planta.

Para validar su modelo y probar su robustez, los investigadores compararon las observaciones experimentales del comportamiento de las plantas con los resultados obtenidos al aplicar su modelo en simulaciones, donde reprodujeron condiciones de crecimiento similares a las que ocurren naturalmente en las plantas. Su modelo alcanzó una alta precisión y errores menores, sugiriendo que puede resumir efectivamente la compleja dinámica de la comunicación dentro de la planta.

"El modelo es finalmente capaz de resaltar la señal de estímulo de la intracomunicación en las plantas, y se puede ampliar y adoptar como una herramienta útil en la encrucijada de disciplinas como las matemáticas, robótica y biología, por ejemplo, para la validación de hipótesis biológicas, traducción de principios biológicos en estrategias de control o resolución de problemas combinatorios, ", dijeron los investigadores en su artículo.

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