Multiskalen-Modellierung von Boden-Pflanze-Interaktionen

Die Wechselbeziehungen zwischen Pflanzen und dem sie umgebenden Boden sind von entscheidender Bedeutung für unterschiedliche Themenbereiche wie Stoffkreisläufe von Kohlenstoff und mineralischen Nährstoffen, Landwirtschaft, Phytosanierung und Entwicklung von Rhizosphärentechnologien. Ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen ist vor allem im Hinblick auf sich verändernde Umweltbedingungen und geringere Ressourcenverfügbarkeit notwendig. Wenn Kalziumphosphate weiterhin mit derselben Rate abgebaut werden, wird im 21. Jahrhundert eine schwere Phosphatkrise erwartet. Dies wird eine ernsthafte Bedrohung für die globale Lebensmittelversorgung darstellen. Eine ökologische Intensivierung der Landwirtschaft mit einhergehender Senkung von mineralischen Düngern wird nur möglich sein, wenn wir die zugrundelegenden Mechanismen der Nährstoff-Bioverfügbarkeit verstehen und damit nutzen können. Mathematische Modellierung ist ein wichtiges Werkzeug um zu diesem Prozeßverständnis beizutragen. Schwerpunkt dieses Projekts ist die Entwicklung eines dynamischen Multiskalen-Modells, das die Phosphataufnahme von mykorrhizierten Pflanzen aus dem Boden beschreibt und analysiert. Mykorrhizen sind mutualistische Symbiosen zwischen Pflanzenwurzeln und Bodenpilzen. Die externen Pilzfäden bieten den Wirtspflanzen eine zusätzliche Möglichkeit für die Aufnahme des schwerverfügbaren Nährstoffes Phosphat. Im Gegenzug ernähren sich die Pilze von den durch Pflanzen photosyntetisierten organischen Kohlenstoffen. Die Struktur des Geflechts aus Pilzfäden (Myzel) führt zu einer mathematischen Herausforderung, weil die relevanten Prozesse auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen ablaufen. Der Begriff "effektiv" im Titel hat sowohl eine biologische als auch eine mathematische Bedeutung: a) Mykorhrizen machen Pflanzen effektiver bei der Phosphataufnahme und b) Mykorrhizen machen die Entwicklung einer effektiven Gleichung notwendig, die den Transport und die Aufnahme von Phosphat in dieser komplexen Struktur beschreibt. Multi-Skalenmodellierung stellt ein aktuelles Forschungsgebiet in den Boden-Pflanzen- Wissenschaften dar, wurde aber noch nicht auf Bodenpilze erweitert. Dies ist ein Defizit im Hinblick auf den potentiellen Nutzen, den Mykorrhizen für Agroökosysteme bringen können. Verschiedene mathematische Upscaling-Methoden eignen sich für die Behandlung von komplexen geometrischen Strukturen. Gemeinsam ist ihnen, dass sie die Probleme geeignet vereinfachen, um die notwendige Rechenleistung zu reduzieren. Außerdem ermöglichen sie die detaillierte Untersuchung eines Problems auf verschiedenen Skalen. In dem zu entwickelnden Modell sollen drei unterschiedliche räumliche Skalen betrachtet werden: a) ein einzelner Pilzfaden, umgeben von Bodenpartikeln, Luft und Wasser, b) eine einzelne Wurzel, umgeben von einem Pilzfädengeflecht und c) ein mykorrhiziertes Wurzelsystem. Zwei Upscaling Schritte sollen zwischen diesen Skalen überleiten. Dies soll mit der mathematischen Homogenisierung und anderen rechnerischen Upscaling Methoden erreicht werden, die auf Vereinfachungen bzw. Idealisierungen der mikroskopischen Heterogenitäten beruhen. In enger Zusammenarbeit zwischen Modellierern und Experimentalisten wird ein begleitendes Experiment durchgeführt, bei dem die Phosphataufnahme der Leguminosenpflanze Medicago truncatula assoziiert mit Glomus intraradices gemessen wird. Diese Daten stehen für die Modellvalidierung zur Verfügung. Dies wird zu einer höheren Akzeptanz und breiteren Anwendung der Forschungsergebnisse führen. Die Ergebnisse dieses Projekts können zu einem nachhaltigeren Phosphatmanagement in der Landwirtschaft beitragen und Pflanzenbauprogramme fördern, die die Phosphatbioverfügbarkeit erhöhen.

Während der Projektlaufzeit wurde Andrea Schnepf der Ruf für eine W2 Professur Modellierung von Boden, Pflanzenwurzelsystemen und ihren Wechselwirkungen an der Universität Bonn, in einer gemeinsamen Berufung mit dem Forschungszentrum Jülich, erteilt. Da das Elise-Richter-Programm personenbezogen ist, wurde das Projekt im März 2014 vorzeitig abgebrochen. Jedoch wurde eines der Hauptziele, die Karriereentwicklung der Projektleiterin, bestens erfüllt. Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Projekts können drei Hauptthemen zugeordnet werden, zwei davon sind bereits publiziert. Ein neuer Bildauswertealgorithmus wurde entwickelt, um Wurzelarchitekturparameter aus 2-dimensionalen Bildern von Wurzelsystemen zu gewinnen. Die Zuordnung und Klassifizierung einzelner Wurzeln basiert auf einem mathematischen Modell, das die dynamische Entwicklung der Wurzelarchitektur beschreibt. Die systematische Analyse von Wurzelarchitekturparametern wird strukturell-funktionelle Wurzelarchitekturmodelle verbessern und so die Erforschung von Wurzel-Boden Interaktionen sowie die Entwicklung von Upscaling-Verfahren unterstützen. Pflanzen können durch das Ausscheiden von organischen, chelatbildenden Verbindung schwer verfügbares Phosphat aus dem Boden lösen. Ein neues Modell, das die Ausscheidung solcher Wurzelexsudate und deren Effekt auf die Phosphataufnahme beschreibt, wurde für eine Einzelwurzel entwickelt und auf die Wurzelsystemskala erweitert. Es konnte gezeigt werden, dass der Effekt von der Altersstruktur des Wurzelsystems sowie der örtlichen Verteilung der Exsudation abhängt. Dies ist ein Beitrag dazu, abzuschätzen in welchem Umfang etwa Phosphatdüngung durch bewusstes Nutzen solcher mining strategies ersetzt werden kann. Die Symbiose mit Mykorrhizapilzen ist ein weiterer Mechanismus mit Bedeutung für die pflanzliche Phosphataufnahme. Die Entwicklung eines entsprechenden mathematischen Modells sowie dessen Kalibrierung mit Daten aus einem Begleitexperiment, in dem Medicago truncatula Pflanzen mit dem arbuskulären Mykorrhizapilz Glomus intraradices infiziert wurden, war besonderer Schwerpunkt dieses Projekts. Simulationsergebnisse eines ersten Modells der Infektion eines wachsenden Wurzelsystems stimmen qualitativ mit den Wurzelinfektionsdaten überein. Die weitere Modellentwicklung und Datenauswertung wurde durch die Projektunterbrechung prolongiert. Andrea Schnepf plant, dieses Thema in ihrer neuen Position weiterzuverfolgen. Das Modell kann benutzt werden um verschiedene Inokulationsmethoden zu testen und um Interaktionen zwischen Wurzelsystementwicklung und Mykorrhizierung zu verstehen und vorherzusagen.