Mehrskalige Funktions-Struktur-Modellierung von Pflanzen am Beispiel von Apfelbäumen

• Antragsteller: Professor Dr. Winfried Kurth
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Softwaretechnik und Programmiersprachen ; Statistik und Ökonometrie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259035778

Prozessbasierte Modelle ermöglichen die Vorhersage des Wachstums von Pflanzenkompartimenten unter homogenen Bedingungen und landwirtschaftlichen Praktiken. Sie sind weniger geeignet, wenn einzelne Pflanzenorgane von Interesse sind. Funktions-Struktur-Modelle von Pflanzen (FSPMs) wurden entwickelt, um diese Begrenzung zu überwinden, indem 3-D-Strukturen im Zusammenspiel mit physiologischen Funktionen dargestellt werden. Wenn allerdings viele Prozesse ins Spiel kommen, können die Rechenzeiten zu lang werden, insbesondere bei größeren Pflanzen. Ein weiteres Problem entsteht durch Komplexität: Die erforderliche Parameterschätzung und Sensitivitätsanalyse wird nichttrivial aufgrund der großen Zahl an Parametern und der oft nichtlinearen Abhängigkeiten innerhalb des Modells. Wir widmen uns diesen Problemen in einem Projekt mit 4 Teams, die Expertise in Botanik, gartenbaulicher Modellierung, Mathematik und Informatik vereinen. Unser Projekt wird 2 Schwerpunkte haben: F1 - "Modellentwicklung, Kalibrierung, Analyse und entsprechende Software-Werkzeuge" und F2 - "Fallstudie: Modellierung von Apfelbäumen auf den Skalenebenen Organ, Zweig und Baum". In F1 werden mathematische und algorithmische Tools entwickelt, um die Lücke zwischen räumlichen und zeitlichen Skalen zu überwinden (räumlich: Organ bis Anpflanzung, zeitlich: Stunden bis 1 Jahr). Methoden für das Upscaling, Downscaling und die Verwaltung simultaner Repräsentationen auf mehreren Skalen werden mit Open-Source-Software entwickelt. Außerdem soll eine Toolbox zur Parametrisierung, Sensitivitätsanalyse und Validierung solcher Mehrskalen-Modelle entstehen. Eine weitere Lücke ist die zwischen mechanistischen und empirisch basierten Modellen. Wir wollen diese überwinden in der Fallstudie in F2, von beiden Seiten kommend: Ein existierendes, empirisches Apfelbaummodell wird für verschiedene Genotypen und Umweltbedingungen angepasst. Gleichzeitig wird ein biophysikalisches Wasserfluss- und C-Transport-Modell auf Organ- und Zweigebene entwickelt unter Verwendung einer bestehenden Softwarelösung zur einfachen Spezifikation und Lösung von Differentialgleichungen auf Netzwerken. Dieses Modell wird die Vorhersage von Fruchtqualität unter Wasserversorgungs-Szenarien erlauben. Am Ende werden beide Entwicklungen vereint in einem mehrskaligen Apfel-Wachstumsmodell mit Wasserfluss und C-Transport. Es wird entwickelt, analysiert und validiert mit den Methoden aus F1. Die stetige Konfrontation der Entwickler aus F1 mit den Modellierer-Anforderungen aus F2 wird die Methodenentwicklung anleiten sowie ihre Integration in FSPM-Plattformen. Der Zusammenhalt des Projekts wird sichergestellt durch gemeinsame Arbeit an bestimmten Tasks, durch regelmäßige Treffen und jährliche Workshops, sowie durch eine gemeinsame Datenbank und durch gemeinsame Betreuung von Studierenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Gerhard Buck-Sorlin; Dr. Evelyne Costes; Professor Dr. Paul-Henry Cournède