Abstract English

Mathematical techniques and simulation have become widely used in many disciplines of engineering and science. It is the goal of this project to apply these techniques in order to contribute to a better understanding of the impact of microscale soil-plant interactions on a whole plant basis. In prarticular, we focus on the role of mycorrhizal fungi in plant solute uptake. Applications range from plant mineral nutrition to the potential use of plants for phytoremediation. Mycorrhizas are mutualistic symbiotic associations between plant roots and soil fungi, formed by more than 80 % of all terrestrial plants. The external hyphae spreading into the soil provide mycorrhizal plants with an additional pathway for nutrients and other solutes into the root. This may result in improved plant mineral nutrition, for example of phosphorus. It is the goal of this project to develop detailed mechanistic and hierarchical models for soil-plant interactions based on literature data and the expertise of co-operating experimentalists. We consider three spatial scales: the scale of one single hypha in the soil, the scale of a single cylindrical root and the scale of a whole plant. On the scale of a single hypha, we describe solute removal from soil as well as the fate of the solute inside the fungus. Most available data and thus our model development, focus on the uptake and translocation of phosphorus by arbuscular mycorrhizal fungi and transfer of phosphorus into the plant root cells. This transfer is believed to occur at the arbuscular interface. On the single root scale we model microscopic phenomena of solutes in the soil-plant system including root exudation, carbon flow and microbial dynamics. Furthermore, uptake by the fungal mycelium surrounding a mycorrhizal root will be calculated. On the scale of the whole plant, we consider competition between mycorrhizal roots and the contribution of the fungus to overall plant uptake. Furthermore, we pursue the question whether there is a trade off between exuding solubilizing agents and sustaining a mycorrhizal network. Through homogenisation techniques, information will be transferred from smaller to higher scales. Screening for literature data, data preparation and analysis will provide the basis for quantifying model processes and parameters as well as model validation. Numerical computations are performed in MATLAB 7.1.0 and numerical solutions of partial differential equations sought with the solver package FEMLAB 3.2. Results of this project will contribute to more efficient crop management or phytoremediation strategies and plant breeding as well as the design of new experiments.

Abstract German

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.