多模块法驱动的拟南芥功能结构模拟：突破与应用

本文主要探讨了基于多模块方法的拟南芥功能结构模拟研究，这是一项在花卉植物生长模拟领域的重要研究课题。传统上，构建反映植物形态和生理特征的功能结构模型（Functional-Structural Plant Model, FSPM）是虚拟植物学研究的核心，它旨在通过结合植物形态结构和生理过程，模拟植物的生长发育过程。例如，L-Peach模型、猕猴桃模型和中国学者提出的玉米、番茄、棉花生长模型等，已经在一定程度上实现了对碳在植物组织器官之间的传输、分配和存储的研究。 然而，这些模型在处理不同器官模块的生理功能多样性时面临挑战。传统的实现方式可能导致代码冗长和复杂，难以适应植物生理功能的多样性。为了解决这个问题，Mikolaj Cieslak提出了基于L-System的多模块方法，这种方法巧妙地整合了植物结构模块和功能模块，使得模型构建更为高效且灵活。 本文关注的是草本花卉植物中的模拟工作，特别是对于拟南芥这种植物。现有的拟南芥生长方程未能充分反映出碳生物量对器官生长的影响，因此不适用于功能结构模型的构建。作者团队针对这一问题，通过收集植物生长的观测数据，设计了一种碳生物量分配模型，旨在为拟南芥提供更为精确的功能结构模拟。这种模型能够更好地体现碳在植物生长过程中的作用，证明了多模块方法在模拟拟南芥这类植物生长方面的实用性和有效性。 具体来说，研究流程包括以下几个关键步骤： 1. 植物结构与生理过程结合：首先，构建植物的多模块结构，每个模块代表一个特定的器官或生理过程，确保结构和功能的统一性。 2. 碳生物量模拟：采用自定义的光反应曲线，模拟碳汇生物量的生成和积累，这是植物能量转化的关键环节。 3. 源汇理论应用：依据生态系统的源汇理论，分配碳生物量至各个器官，模拟其在植物体内的流动和存储。 4. 动态生长模拟：利用L-System的多模块方法，精确控制叶片和节间的生长，使模型能实时反映植物生长变化。 5. 实验验证与数据分析：通过对拟南芥的生长模拟结果进行实验证明，对比观测数据，验证模型的有效性和准确性。 总结起来，这项研究通过创新的多模块方法，不仅解决了传统模型中模块化设计的问题，还为草本花卉植物，尤其是拟南芥的功能结构模拟提供了新的思路和技术支持，对于推动虚拟植物学和数字生理植物研究的发展具有重要意义。