Vorreiter bei der Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit der Landwirtschaft angesichts des Klimawandels

Da der Klimawandel und die wachsende Weltbevölkerung eine zunehmende Bedrohung für die Ernährungssicherheit darstellen, wird das Streben nach landwirtschaftlicher Nachhaltigkeit und der Widerstandsfähigkeit der Ernteerträge immer wichtiger. Aktuelle Forschungsstrategien konzentrieren sich auf genetische Verbesserungen, um Pflanzensorten zu kultivieren, die besser an diese Veränderungen angepasst sind, sowie auf die Verbesserung der Pflanzenbewirtschaftungspraktiken zur Verbesserung der Ressourceneffizienz.

Diese Bemühungen werden durch Pflanzenmodelle unterstützt, wichtige Werkzeuge zur Simulation der genetischen, umweltbedingten und Managementfaktoren (G×E×M), die das Pflanzenwachstum beeinflussen. Unter diesen Modellen sticht das GreenLab-Modell durch seine detaillierten Simulationen auf Organebene hervor, die physiologische und morphologische Reaktionen auf Umweltbedingungen einbeziehen. Doch trotz seiner Ausgereiftheit reduziert das GreenLab-Modell die Umweltauswirkungen auf einen einzigen Faktor und erfasst die differenzierten Auswirkungen von Klima, Boden und Bewirtschaftungspraktiken auf den Ertrag nur unzureichend.

Im Februar 2024, Pflanzenphänomik veröffentlichte einen Übersichtsartikel mit dem Titel „Funktional-strukturelles Anlagenmodell „GreenLab“: Eine Übersicht auf dem neuesten Stand der Technik.“ Das Papier bietet einen umfassenden Überblick über das GreenLab-Modell und geht auf seine Entwicklungsgeschichte, grundlegende Konzepte, Haupttheorien, Anwendungen, Softwaretools und zukünftige Richtungen ein.

Basierend auf dem AMAP-Modellierungsansatz integriert GreenLab botanische Konzepte wie physiologisches Alter und Quelle-Senke-Dynamik und schafft so eine solide Grundlage für die Simulation des Pflanzenwachstums gemäß botanischen Prinzipien.

Über zwei Jahrzehnte hinweg hat die Zusammenarbeit zwischen Instituten in China und Frankreich GreenLab zu einem anspruchsvollen Modell verfeinert, das das Pflanzenwachstum auf Organebene simuliert und verschiedene Pflanzentypen von krautigen Arten bis hin zu Bäumen berücksichtigt.

Die Weiterentwicklung des Modells von der deterministischen zur stochastischen Version hat seinen Nutzen erweitert und ermöglicht die Simulation verschiedener Wachstumsmuster und architektonischer Komplexitäten mit bemerkenswerter Genauigkeit. Durch die Einbeziehung von Konzepten aus prozessbasierten Modellen bietet GreenLab detaillierte Simulationen der Biomasseproduktion und -allokation und nutzt mathematische Gleichungen für eine effiziente Parametrisierung und Simulation.

Es zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, die dynamische Interaktion zwischen Entwicklung und Wachstum zu modellieren und die differenzierten Auswirkungen von Umweltfaktoren auf Pflanzenstruktur und Ertrag zu erfassen.

Die Anwendungen von GreenLab erstrecken sich über verschiedene Pflanzenarten und demonstrieren seine Vielseitigkeit bei der Simulation von Wachstumsmustern sowohl von Feld- und Gartenbaukulturen als auch von Bäumen unter unterschiedlichen Umweltbedingungen. Der Kalibrierungsprozess des Modells, der detaillierte Pflanzenarchitektur- und Biomassedaten umfasst, unterstreicht seine Präzision bei der Simulation des Pflanzenwachstums.

Darüber hinaus läutet die Integration von GreenLab mit fortschrittlichen Technologien wie Schnellzüchtung und künstlicher Intelligenz eine neue Ära der Pflanzenmodellierung ein und ermöglicht eine schnelle Phänotypisierung und Ertragsvorhersage zur Unterstützung nachhaltiger landwirtschaftlicher Praktiken. Die für GreenLab entwickelten Softwaretools, von Visualplant bis XPlantGL, ermöglichen benutzerfreundliche Simulationen und Kalibrierungen und machen sie für Forscher und Praktiker gleichermaßen zugänglich.

Mit Blick auf die Zukunft unterstreicht das Papier das Potenzial des Modells bei der Verknüpfung genetischer, physiologischer und Umweltforschung und bietet Einblicke in Strategien zur Anpassung von Nutzpflanzen und zur Optimierung von Ertragsvorhersagen. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung und Integration modernster Technologien bleibt GreenLab führend in der Agrarmodellierung und verspricht innovative Lösungen für die Herausforderungen der Ernährungssicherheit und des Klimawandels.