Multiskalen-Modellierung von Boden-Pflanze-Interaktion

Ziel des Projekts ist es, mathematische Methoden und Simulationen einzusetzen, um zu einem besseren Verständnis über die Mechanismen der Interaktion im System Boden-Pflanze, und insbesondere der Funktion von Mykorrhizapilzen bei der pflanzlichen Stoffaufnahme, beizutragen. Dabei liegt der Fokus auf den Auswirkungen von Rhizosphärenprozessen auf der Mikroskala auf die Stoffaufnahme eines ganzen Wurzelsystems. Mögliche Anwendungsgebiete reichen von der Pflanzenernährung bis zu der Verwendung von Pflanzen für Phytosanierung. Als Mykorrhiza werden Symbiosen zwischen Pflanzenwurzeln und Bodenpilzen bezeichnet, die im allgemeinen für beide Partner vorteilhaft ist. 80 % aller Landpflanzen bilden solche Mykorrhizen aus. Die externen Pilzfäden bieten einen zusätzlichen Pfad für Nähr- und andere im Boden gelöste Stoffe in die Wurzel. Das kann sich unter anderem positiv auf die Pflanzenernährung auswirken. In diesem Projekt werden wir detaillierte mechanistische und hierarchische Modelle für Boden-Pflanze Interaktionen entwickeln, und zwar basierend auf Daten, die in der Literatur vorhanden sind, beziehungsweise auf der Expertise von Experten, die an diesem Projekt beteiligt sind. Wir berücksichtigen drei Skalenniveaus: das eines Pilzfadens im Boden, das einer Wurzel, die von einem Pilzgeflecht umgeben ist, und das einer ganzen Pflanze. Auf dem Skalenniveau des Pilzfadens beschreiben wir mit einem Modell, wie Stoffe aus dem Boden aufgenommen werden und was dann im Inneren des Pilzes damit passiert. Die meisten Literaturdaten dazu, und damit auch unsere Modellbildung, beschäftigen sich mit dem Nährstoff Phosphor und arbuskulären Mykorrhizen. Auf dem Skalenniveau einer Einzelwurzel beschäftigen wir uns mit Rhizosphärenprozessen wie Wurzelexsudation, Kohlenstoff- und Mikrobielle Dynamik in Wurzelnähe. Außerdem wird der Beitrag des Pilzmycels zur Stoffaufnahme der Wurzel berechnet. Auf dem Skalenniveau der ganzen Pflanze werden wir dazu noch die Konkurrenz zwischen mehreren mykorrhizierten Wurzeln beschreiben. Außerdem gehen wir der Frage nach, wie sich die Erhaltung eines Pilzgeflechts im Vergleich zur Exsudation von Nährstoffmobilisierenden Stoffen auswirkt. Die Informationen eines Skalenniveaus werden durch Homogenisierungsmethoden in die höheren Skalenniveaus transferiert. Literatur-Screening, Datenaufbereitung und -analyse bieten die Basis für das Quantifizieren der Modellprozesse und Parameter als auch für die Validierung. Die numerischen Berechnungen werden mit MATLAB 7.1.0 durchgeführt, die numerische Lösung partieller Differentialgleichungen mit Hilfe des Softwarepakets FEMLAB 3.2. Die Ergebnisse dieses Projekts werden zu effizienteren Pflanzenbau- und Phytosanierungsstrategien als auch zum Design neuer Experimente beitragen.