Возможные механизмы адаптации культурных растений в экстремальных условиях

Abstract

Данное исследование представляет математическую модель физиологии развития открытой растительной системы в условиях далеких от равновесия. В отличие от существующих подходов, наша модель построена на системе уравнений, описывающих конкуренцию за субстрат, возникающую в условиях стресса, между тремя главными компартментами культурных растений – корнем, стеблем и лиственным покровом. Обмен с внешней средой происходит по двум каналам – через листья и корневую систему. Внутренний канал управления задан в виде функции ограничения на величину биомассы растения через биомассы отдельных структурных частей. Жизнеспособность модели была проверена на примере модели физиологии развития томатов. Поведение системы изучалось при двух разновидностях экстремальных условий – недостаток питательных веществ в почве, обезвоживание или некритическое механическое повреждение корня с затрудненным переносом субстрата, а также низкий уровень или отсутствие солнечного излучения. В первом случае модель показывает перестройку системы после нескольких уровней колебаний к устойчивому состоянию с низким потреблением субстрата и перераспределением масс листьев, стебля и корня. Во втором случае расчеты показывают значительное подавление биомассы листового покрова и перераспределение масс в пользу стебля и корня. Однако и в этом случае, после периода неустойчивости, система адаптируется и приходит к устойчивому состоянию с массой стебля, превышающей массы остальных структур. Для каждого из рассмотренных случаев построены фазовые траектории поведения биомассы компартментов и субстратов.