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

Winfried Kurth, Gerhard Buck-Sorlin, Ole KniemeyerBrandenburgische Technische Universität (BTU), Lehrstuhl für Praktische Informatik / Grafische Systeme

4D-2

FormalismusRGG

SpracheXL

SoftwareGroIMP

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)

ABC-Modell der Blütenmorphogenese (s.a. www.grogra.de)

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.

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 Intelligence 2801, 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 4 th International Workshop on Functional-Structural Plant Models (FSPM04), 7-11 June, 2004, Montpellier (France). (mit Teilprojekt 6)

Genetik und Morphologie (7 Publikationen)Gerhard Buck-Sorlin, Ole Kniemeyer, Winfried Kurth, Integrated grammar representation of genes, metabolites and morphology: The example of hordeomorphs. Proceedings of the 4 th 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.

Kooperation mit TP3 (Hell/Mock/Amme): Gefäßversuch zur Stickstoffnutzungseffizienz zweier kontrastierender Genotypen (s.a. separates Poster):

1) Einfluss der Stickstoffkonzentration und des Genotyps auf die Entwicklung des Apikalmeristems

1 mm

28 DAS

N (mM):

2 82

81212DOM REC

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)

2) Neuparametrisierung des sigmoiden Blattstreckungsmodells (Buck-Sorlin 2002). Varianzanalyse der N- und Genotyp-Abhängigkeit der Modellparameter

• 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)

• 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

Kontrolle der Internodienstreckung durch ein regulatorisches Netzwerk, welches – im selben Formalismus – einen Teilaspekt der Gibberellinsäure-Biosynthese abbildet.

Kooperation mit TP6 (Wernecke/Diepenbrock): 3D-DatenanalyseMasterarbeit 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 Ergebnis für Blattspreite:

409 Vertices

23327 PunkteLösungsansatz:Punkreduktion in 3 Schritten1) Zusammenführen der Punktwolke2) Auffinden von Quadriken zur

Punktapproximation3) Adaptive Reduktion / Reduktion

der Ebenen (Voronoi-Diagramm)