Modelling plant cell expansion in VirtualLeaf

Datum: 11 juni 2015

Locatie: Campus Middelheim - Gebouw G - Lokaal G0.05 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 14.30 uur

Organisatie / co-organisatie: Faculteit Wetenschappen

Promovendus: Abdiravuf Dzhurakhalov

Promotor: J. Broeckhove & G. Beemster

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Abdiravuf Dzhurakhalov - Faculteit Wetenschappen



Abstract

Op cellulair en subcellulair niveau hebben de mechanische eigenschappen van celwanden een directe invloed op de celgrootte, -vorm en -expansie evenals op de waterstatus van de cel. Ruimer bekeken reguleren ze de mechanica van het hele plantenweefsel alsook andere aspecten van plantenontwikkeling.

Deze studie had als doel het bouwen van realistische modellen voor plantcelwand mechanica waarbij de elasticiteit, plasticiteit en visco-elasticiteit van de celwand op een correcte manier worden beschreven. Verder werden de mogelijkheden van het VirtualLeaf software framework uigebreid. In dit verband werden de hierna volgende bijdragen op het gebied van computersimulatie met het VirtualLeaf framework geleverd.

Een robuuster criterium werd ontwikkeld voor de Monte Carlo (MC)-energieminimalisatie methode in VirtualLeaf. Gezien het gebruik van een gradiënt norm onmogelijk is voor dergelijke multivariabele en complexe systemen werd een schuifraamcriterium voorgesteld. Dit criterium is gebaseerd op een regelmatige vergelijking met een drempelwaarde van een energieverschil-venster dat als het ware schuift langs de energieverandering van het systeem. Deze methode is veel succesvoller in het vinden van een stabiele toestand vergeleken met de energieverschil-methode in van de originele VirtualLeaf.

Een verkenning van de parameters van de MC methode werd uitgevoerd. Een robuuste methode op basis van een MC evolutie van de totale energie tijdens de equilibreringscyclus werd hiervoor uitgewerkt. Op basis van het verschil tussen rustoppervlakte en werkelijke oppervlakte van de cellen konden de parameterwaarden geoptimaliseerd worden voor de snelheid van bereiken van het evenwicht.

Een elastische wand-methode met Hamiltoniaan werd verder ontwikkeld en uitgevoerd in VirtualLeaf. In deze methode wordt de volledige wand tussen de cellen gebruikt in de Hamiltoniaan in plaats van de afzonderlijke celwandsegmenten. In deze nieuwe benadering worden de individuele rust-lengtes per wand geïntroduceerd. De gehele wand gebruiken is fysisch een meer correcte weergave van het uitrekken/inkrimpen dan het werken met lokale verandering in kunstmatige wandsegmenten.

De irreversibele vervorming van celwanden is verbeterd door introductie van een drempelwaarde-turgor (zoals in de Lockhart vergelijking) in plaats van de drempel-wandlengte en een continue onomkeerbare vervorming van de wanden door groei in plaats van de enkelvoudige celwandsegment yielding (relaxatie) per tijdstap VirtualLeaf. De elastische celwand methode en een nieuwe onomkeerbare yielding aanpak werd gevalideerd met experimentele data verkregen met maïsbladweefsel-expansie.

Voor een verbeterde beschrijving van de celwandmechanica werd het zogenaamde Maxwell visco-elastische model geïntroduceerd in VirtualLeaf, waarbij de wandvervorming wordt bepaald door een combinatie van de wet van Hooke en de wet van Newton. Dit model is tijdsafhankelijk: de rustlengte van elke wand en de turgor in elke cel worden geactualiseerd bij elke tijdsstap door het oplossen van een gewone differentiaalvergelijking.

Zo werden de mogelijkheden uitgebreid van het VirtualLeaf platform om de mechanische basis van de groei in plantenorganen zoals bladeren en wortels te bestuderen. Voorlopige tests tonen aan dat deze nieuwe geïmplementeerde modellen de celwand-mechanica in plantencellen zeer goed beschrijven.