Une équipe de chercheurs de l'Institut des sciences du Gran Sasso (GSSI) et de l'Istituto Italiano di Technologia (IIT) a mis au point une approche mathématique pour comprendre la communication intra-usine. Dans leur papier, prépublié sur bioRxiv, ils proposent un système entièrement couplé de non-linéaire, des équations différentielles discontinues et ordinaires non autonomes qui peuvent décrire avec précision le comportement d'adaptation et la croissance d'une seule plante, en analysant les principaux stimuli affectant le comportement des plantes.

Des études récentes ont montré que plutôt que d'être des organismes passifs, les plantes peuvent en fait présenter des comportements complexes en réponse à des stimuli environnementaux, par exemple, adapter leur allocation de ressources, stratégies de recherche de nourriture, et les taux de croissance en fonction de leur environnement environnant. Comment les plantes traitent et gèrent ce réseau de stimuli, cependant, est une question biologique complexe qui reste sans réponse.

Les chercheurs ont proposé plusieurs modèles mathématiques pour mieux comprendre le comportement des plantes. Néanmoins, aucun de ces modèles ne peut décrire efficacement et clairement la complexité de la chaîne stimulus-signal-comportement dans le contexte du réseau de communication interne d'une usine.

L'équipe de chercheurs du GSSI et de l'IIT qui a mené la récente étude avait précédemment étudié les mécanismes de la communication intra-plante, dans le but d'identifier et d'exploiter les principes biologiques de base pour l'analyse du comportement des racines des plantes. Leurs travaux antérieurs ont analysé les racines robotiques dans un environnement simulé, traduire un ensemble de règles biologiques en solutions algorithmiques.

Même si chaque racine a agi indépendamment des autres, les chercheurs ont observé l'émergence de certains comportements d'auto-organisation, visant à optimiser l'équilibre interne des nutriments au niveau de la plante entière. Bien que cette dernière étude ait donné des résultats intéressants, il ne considérait qu'une petite partie de la complexité de la communication intra-usine, en ignorant totalement l'analyse des organes aériens, ainsi que les processus liés à la photosynthèse.

"Dans ce document, nous n'aspirons pas à obtenir une description complète de la complexité de la plante, pourtant nous voulons identifier les principaux indices influençant la croissance d'une plante dans le but d'étudier les processus jouant un rôle dans l'intra-communication pour les décisions de croissance des plantes, " les chercheurs ont écrit dans leur article récent. " Nous proposons et expliquons ici un système d'équations différentielles ordinaires (ODE) qui, différemment des modèles de pointe, prendre en compte toute la séquence des processus depuis l'absorption des nutriments, photosynthèse et consommation et redistribution d'énergie."

Dans la nouvelle étude, donc, les chercheurs ont entrepris de développer un modèle mathématique qui décrit la dynamique de la communication intra-plante et analyse les signaux possibles qui activent les réponses de croissance adaptatives dans une seule plante. Ce modèle est basé sur des formulations de preuves biologiques recueillies lors d'expériences en laboratoire à l'aide de techniques de pointe.

Par rapport aux modèles existants, leur modèle couvre un plus large éventail d'éléments, dont la photosynthèse, dégradation de l'amidon, absorption et gestion de multiples nutriments, allocation de biomasse, et entretien. Ces éléments sont analysés en profondeur, considérant leurs interactions et leurs effets sur la croissance d'une plante.

Pour valider leur modèle et tester sa robustesse, les chercheurs ont comparé les observations expérimentales du comportement des plantes avec les résultats obtenus lors de l'application de leur modèle dans des simulations, où ils reproduisaient des conditions de croissance similaires à celles qui existent naturellement chez les plantes. Leur modèle a atteint une grande précision et des erreurs mineures, suggérant qu'il peut résumer efficacement la dynamique complexe de la communication intra-usine.

« Le modèle est finalement capable de mettre en évidence le signal de stimulation de l'intra-communication chez les plantes, et il peut être élargi et adopté comme un outil utile au carrefour de disciplines telles que les mathématiques, robotique et biologie, par exemple, pour la validation d'hypothèses biologiques, traduction de principes biologiques en stratégies de lutte ou résolution de problèmes combinatoires, ", ont déclaré les chercheurs dans leur article.

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