Teilprojekt 9: Techniken der Informatik für Functional-Structural Plant Models (FSPM)

1. Teilprojekt 9: Techniken der Informatik für Functional-Structural Plant Models (FSPM) Winfried Kurth, Gerhard Buck-Sorlin, Ole Kniemeyer Brandenburgische Technische Universität (BTU), Lehrstuhl für Praktische Informatik / Grafische Systeme Formalismus RGG Sprache XL Software GroIMP Modell j k, l m ==> j m, l k; • BarleyBreeder:Modellierung und Simulation von Aspekten der Züchtung in einem Genotyp-Phänotyp-Modell der Gerste: • Crossing-over als Funktion des Rekombinations- • abstandes zweier Gene • Mutation • interaktive Selektion der Eltern (sexuelle und • asexuelle Reproduktion) Kontrolle der Internodienstreckung durch ein regulatorisches Netzwerk, welches – im selben Formalismus – einen Teilaspekt der Gibberellinsäure-Biosynthese abbildet. Ziele für die 2. Phase: • Vertrautmachen experimentell arbeitender Gruppen mit dem RGG-Formalismus und mit der Sprache XL, Aufbau enger Feedback-Schleifen zwischen Experimentatoren und Modellierern - insbesondere Teilprojekt 3 (Mock, Hell): bereits laufende Arbeiten zur Stickstoffnutzungseffizienz - Teilprojekt 4 (Kage): Wurzelmodelle - Teilprojekt 2 (Humbeck): Seneszenz • • Bewährung des RGG-Ansatzes – weg von den "kleinen" Modellen: • Mehrskaliges, morphologisches Wachstumsmodell der Gerstenpflanze unter Berücksichtigung von Teilen des N- und C-Metabolismus und deren genetischer Steuerung • metabolische Netzwerke (Cluster 2) • Fragestellung: Stickstoffnutzungseffizienz (Cluster 6) • Streckungsmodell der Organe (Cluster 4) • Transportprozesse (Cluster 1) •  Erweiterungen evtl. von XL, besonders aber an GroIMP (Nutzerfreundlichkeit) (Cluster 3) 4D-2 • • Beitrag zur Erstellung, Kalibrierung und Validierung des VCMS in Form eines Gersten-FSPMs (Cluster 5) • in Zusammenarbeit mit den Modellierergruppen (TP 1, 4, 6, 7): • Kopplung der Modellmodule zur Architektur- und Prozessdynamik • Emulation des Gerstenstrukturmodells aus TP 6; Zweck: Validierung des RGG-Ansatzes, Modellvergleich. • weiterer Ausbau der Modell-Modell-Schnittstellen (DELPHI – Matlab – GroIMP) Kooperation mit TP3 (Hell/Mock/Amme): Gefäßversuch zur Stickstoffnutzungseffizienz zweier kontrastierender Genotypen (s.a. separates Poster): • • Dreidimensionales Meristem-Modell unter Verwendung von Gewebeverbänden als homogenen Substrukturen • Erweiterungen des RGG-Formalismus (sowie von XL und GroIMP) • Grundlage für praktikable 3-D Morphogenese-Modelle Kooperation mit TP6 (Wernecke/Diepenbrock): 3D-Datenanalyse Masterarbeit A. Bucksch 2004 (in Zusammenarbeit mit P. Wernecke) Flächenrückführung aus Punktwolken (gewonnen mit Aufnahmeverfahren mit struk-turiertem Licht – DigiScan, TP 6) Probleme: • sehr große Zahl von Punkten (bis zu 400 000) • Inkonsistenzen durch Blattbewegungen während der Aufnahme • Okklusionen ABC-Modell der Blütenmorphogenese (s.a. www.grogra.de) 2) Neuparametrisierung des sigmoiden Blattstreckungsmodells (Buck-Sorlin 2002). Varianzanalyse der N- und Genotyp-Abhängigkeit der Modellparameter • Einfluss der Stickstoffkonzentration und des Genotyps auf die Entwicklung des Apikalmeristems DOM REC 28 DAS 12 8 12 N (mM): 2 Ergebnis für Blattspreite: 8 2 Lösungsansatz: Punkreduktion in 3 Schritten 1) Zusammenführen der Punktwolke 2) Auffinden von Quadriken zur Punktapproximation 3) Adaptive Reduktion / Reduktion der Ebenen (Voronoi-Diagramm)  23327 Punkte 1 mm 409 Vertices Publikationen (Auswahl): Programmiersprachen und Modellspezifikation (5 Publikationen) Winfried Kurth, Relational growth grammars – a graph rewriting approach to dynamical systems with a dynamical structure. To appear in: Workshop "Unconventional Programming Paradigms 2004" (UPP 2004), September 15-17, 2004, Mont Saint-Michel (France), Lecture Notes in Computer Science. Ole Kniemeyer, Gerhard Buck-Sorlin, Winfried Kurth, Demonstration of the GroIMP software. Proceedings of the 4th International Workshop on Functional-Structural Plant Models (FSPM04), 7-11 June, 2004, Montpellier (France), p. 402. Genetik und Morphologie (7Publikationen) Gerhard Buck-Sorlin, Ole Kniemeyer, Winfried Kurth, Integrated grammar representation of genes, metabolites and morphology: The example of hordeomorphs. Proceedings of the 4th International Workshop on Functional-Structural Plant Models (FSPM04), 7-11 June, 2004, Montpellier (France), pp. 386-389. Gerhard Buck-Sorlin, The search for QTL in barley (Hordeum vulgare L.) using a new mapping population. Cellular & Molecular Biology Letters, 2002, 7: 523-535. Artificial Life (4 Publikationen) Ole Kniemeyer, Gerhard Buck-Sorlin, Winfried Kurth, A graph grammar approach to Artificial Life.Artificial Life, 10(4): 413-431 (2004) Ole Kniemeyer, Gerhard Buck-Sorlin, Winfried Kurth, Representation of genotype and phenotype in a coherent framework based on extended L-systems.In:Wolfgang Banzhaf, Thomas Christaller, Peter Dittrich, Jan T. Kim, Jens Ziegler (eds.), Advances in Artificial Life. Proceedings of ECAL 2003, Dortmund 14.-17. 9. 2003,Lecture Notes in Artificial Intelligence2801, Springer, Berlin 2003, 625-634. 3D-Datenanalyse (1 Publikation) Thomas Mangoldt, Winfried Kurth, Alexander Bucksch, Peter Wernecke, A system for recording 3D information with applications in the measurement of plant structure. Proceedings of the 4th International Workshop on Functional-Structural Plant Models (FSPM04), 7-11 June, 2004, Montpellier (France).(mit Teilprojekt 6)