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Issue
Ann. For. Sci.
Volume 57, Number 5-6, June-September 2000
Second International Workshop on Functional-Structural Tree Models
Page(s) 535 - 541
DOI http://dx.doi.org/10.1051/forest:2000140
DOI: 10.1051/forest:2000140

Ann. For. Sci. 57 (2000) 535-541

How to include organ interactions in models of the root system architecture? The concept of endogenous environment

Loïc Pagès

INRA Centre d'Avignon, Site Agroparc, Domaine St-Paul, 84914 Avignon Cedex 9, France

(Received 1 February 1999; accepted 8 July 1999)

Abstract:

A first generation of models describing the development of the root system architecture did not include explicitly the allocation of resources. These models aimed to mimic the morphogenetic programme, by translating the developmental events into a set of formal production rules. The major strength of these models was their ability to simulate simply the relevant topological characteristics of the root systems. However, the root system development is known to be highly sensitive to carbon limitations. These effects appear first at the root system level, whose global size can be greatly affected by the amount of carbohydrates which are available for the root system development (depending on the carbon budget within the whole plant). Moreover, competition for carbohydrates within the root system accounts for multiple architectural variations which appear in the heterogeneous soil environment. For example, compensatory growth is a common behaviour within root systems. These phenomena can be described by merging "source-sink models" to "morphogenetic rule models". The morphogenetic rule model simulates the topology of the system (between root connections), whereas the source-sink model simulates the size (growth rate) of the different organs, and allows the definition of an endogenous environment. But in these source -sink models, the definition of the sink strength is a crucial point, which has received only very little attention for the roots. As an alternative to pre-defined potential growth functions, we suggest to use an instantaneous sink strength of each meristem, related to its size. After having justified this approach by experimental data, we show how this sink strength indicator can vary along time, according to the time-dependent availability of carbohydrates. Thus, the sink strength of each axis can be quantified independently, according to its temporal and spatial position within the whole architecture. Although more buffered than the growth rate of the axis, its sink strength can vary during its development course. This very simple model allows the simulation of various growth patterns. It gives an interesting plasticity to the simulated root systems.


Keywords: architecture / carbon allocation / model / root system / sink strength

Résumé:

Comment inclure des interactions entre organes dans les modèles d'architecture du système racinaire ? Le concept d'environnement endogène. Les premiers modèles décrivant le développement de l'architecture des systèmes racinaires ne prenaient pas en compte explicitement la répartition des ressources. Ces modèles avaient pour but de reproduire un programme morphogénétique, en traduisant les processus de développement par un jeu de règles formelles de production. La force principale de ces modèles est leur capacité à simuler les caractéristiques topologiques majeures des systèmes racinaires. Cependant, le développement racinaire est connu pour être très sensible aux restrictions de fourniture en carbone. Ces effets apparaissent premièrement au niveau du système racinaire entier, dont la taille peut être largement affectée par la quantité de glucides disponible durant son développement. De plus, la compétition pour les glucides au sein du système racinaire rend compte de multiples variations architecturales qui apparaissent en sol hétérogène. Ces phénomènes peuvent être décrits en couplant des "modèles source - puits" avec des "modèles de règles morphogénétiques". Le modèle fondé sur des règles morphogénétiques simule la topologie du système (branchements entre racines), tandis que le modèle source - puits simule la taille des différents organes, et permet la définition d'un "environnement endogène", qui évolue au cours du temps. Dans ces modèles, la définition d'une force de puits est un point central, qui a été peu étudié sur les racines. Comme alternative à l'utilisation de courbes de croissance potentielles, fixées à l'avance, nous suggérons d'utiliser une force de puits instantanée pour chaque méristème, liée à sa taille. Cet indicateur peut lui-même varier au cours du temps, de manière tamponnée, en fonction de la disponibilité en glucides. Le modèle très simple qui est ainsi proposé permet de générer des patrons de croissance variés, et donne ainsi une plasticité intéressante aux systèmes racinaires simulés.


Mots clé : architecture / répartition du carbone / modèle / système racinaire / force de puits

Correspondence and reprints: Loïc Pagès
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