BOKU - Universität für Bodenkultur Wien - Forschungsinformationssystem

Logo BOKU-Forschungsportal

Multiskalen-Modellierung von Boden-Pflanze-Interaktionen

Projektleitung
Schnepf Andrea, Projektleiter/in
Laufzeit:
01.02.2007-31.01.2010
Programm:
Hertha-Firnberg-Programm
Art der Forschung
Grundlagenforschung
Projektpartner*innen
University of Oxford, Masters and Scholars, Wellington Square, OX1 2JD Oxford, Vereinigtes Königreich.
Funktion des Projektpartners: Partner
University of York, York, Vereinigtes Königreich.
Funktion des Projektpartners: Partner
Mitarbeiter*innen
Konecny Franz, Projektmitarbeiter/in (bis 31.10.2017)
Loiskandl Willibald, Projektmitarbeiter/in
Wenzel Walter, Projektmitarbeiter/in
Klepsch Sabine, Projektmitarbeiter/in (bis 31.01.2018)
Himmelbauer Margarita, Projektmitarbeiter/in
Schweiger Peter, Projektmitarbeiter/in (bis 01.04.2015)
Beteiligte BOKU-Organisationseinheiten
Institut für Bodenforschung
Institut für Bodenphysik und landeskulturelle Wasserwirtschaft
Institut für Mathematik
Gefördert durch
Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) , Sensengasse 1, 1090 Wien, Österreich
Abstract
Deutsch

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.
Schlagworte
Angewandte Mathematik; Bodenkunde; Computerunterstützte Simulation;
Boden-Pflanze-Interaktionen; Mathematische Modellierung; Mykorrhiza; Pflanzenernährung; Upscaling;
Publikationen

Leitner, Daniel Schnepf, Andrea (2012): IMAGE ANALYSIS OF 2-DIMENSIONAL ROOT SYSTEM ARCHITECTURE.
[19th Conference on Scientific Computing ALGORITMY 2012, Vysoké Tatry, Slovak Republic, 09.09.2012 - 14.09.2012]

In: Slovak University of Technology in Bratislava, Publishing House of STU, ALGORITMY 2012, 19th Conference on Scientific Computing, Vysoké Tatry – Podbanské, Slovakia, September 9 – 14, 2012, Proceedings of contributed papers and posters, pp. 113-119

A. Schnepf and D.Leitner (2009): FEM simulation of below ground processes on a 3-dimensional root system geometry using DISTMESH and COMSOL Multiphysics.
[18th Conference on Scientific Computing ALGORITMY 2009, Podbanske, Slovak Republic, 15.03.2009 - 20.03.2009]

In: Slovak University of Technology in Bratislava, Publishing House of STU, Proceedings of contributed papers and posters; ISBN: 978-80-227-3032-7

Vorträge
© BOKU Wien Impressum