Ett möte i en skog mellan en biolog och en matematiker kan leda till tjockare, snabbare växande träd.
"Matematiker gillar att översätta biologiska processer till tal, sa Andrei Smertenko, biträdande professor vid Washington State Universitys Institute of Biological Chemistry. "Jag är biolog, och jag vill hjälpa till att bli starkare, bättre träd."
Att odla träd är ett tidskrävande och oprecist fält, med uppfödare som förlitar sig på några genetiska markörer och vad de kan se. Det tar år innan de ser egenskaperna de letar efter i ett ungt träd.
För att påskynda saker och ting, Smertenko och hans kollegor vid WSU Department of Mathematics Vladyslav Oles och Alexander Panchenko har utvecklat en ny modell som kan hjälpa till att göra träduppfödning mycket enklare.
Hur hormoner, gener påverkar tillväxt h
Gruppen träffades för tre år sedan på en fest i en skog och började prata om träd, Smertenkos intresse. Det slumpmässiga mötet ledde så småningom till modellen, som nyligen publicerades i tidskriften PLOS En under titeln "Modellering av hormonell kontroll av kambiumproliferation."
"Radiell tillväxt, eller tjocklek, är känt för att styras av många hormoner, " Sa Smertenko. "Men hur varje hormon bidrar till den radiella tillväxten är fortfarande dåligt förstått. Så modellen simulerar hur interaktioner mellan hormoner och nyckelgener skulle påverka radiell tillväxt. "
Beräkningar kräver systematisk utvärdering av miljontals olika situationer i cellerna, han sa. I grund och botten, modellen kör miljarder simuleringar av genetiska interaktioner för att förutsäga vilka träd som sannolikt kommer att göra mer eller mindre ved när de växer.
Modellen fokuserar på kambium
Modellen fokuserar på att förstå molekylära processer i kambium, en typ av stamceller som kan känna av tillgängligheten av näringsämnen i marken och fotosyntetisk aktivitet i skott. Cambium integrerar dessa signaler med planthöjden för att producera den nödvändiga mängden ved varje växtsäsong, sa Smertenko.
"Trä är mycket dyrt för ett träd att producera, ur ett resursperspektiv, ", sade han. "Att tilldela för många resurser till träproduktion skulle i slutändan begränsa växtreproduktionspotentialen. Och vi kan för närvarande inte mäta eller studera kambium i en levande växt eftersom det slutar fungera så fort vi gör något med anläggningen.
"Så om vi inte kan observera vävnaden direkt, att göra en matematisk modell är den bästa lösningen vi har hittills, " han sa.
Cambium styr trädets tillväxt och, under den aktiva säsongen, det delar sig snabbt. Om du tittar på årsringar av ett träd, ljusdelen reflekterar högre kambiumaktivitet, som på våren, och de mörkare ringarna är perioder av långsam tillväxt, som på vintern.
Modell identifierar avelslinjer
I en genetiskt varierad population av träd, uppfödare kan använda informationen från modellen för att se vilka träd som är mer benägna att generera mer ved.
"Vissa uppfödare kanske vill ha smalare träd, eller tjockare träd, ", sa Smertenko. "Ur vetenskapssynpunkt, vår modell kan användas för att identifiera olika avelslinjer med högre eller lägre vedproduktion."
Än så länge, modellen fungerar bara på lövträd, som ek eller poppel, och inte på barrträd, som tall eller gran, eftersom tillväxtprocessen är bättre förstådd i lövträd, sa Smertenko.
