植物間壓力傳遞的端到端數學建模與分析

Основные понятия

本研究利用數學模型模擬植物如何透過釋放生物揮發性有機化合物 (BVOCs) 來傳遞壓力信號，並探討影響此傳遞過程的關鍵因素，以及植物如何利用比率偏移鍵控 (RSK) 來加密訊息和實現多用户通道。

Аннотация

植物間壓力傳遞的端到端數學建模與分析

導言

• 分子通訊 (MC) 是一種重要的通訊模式，利用分子傳遞信息，存在於自然界中。
• 基於氣味的分子通訊 (OMC) 是一種特殊的 MC，利用信息素或氣味傳遞信息，在生物醫學、工業和消費品行業以及電信、信息和通信技術以及未來互聯網應用等領域具有廣泛的應用前景。
• 植物間的壓力傳遞是一種 OMC，植物在遭受生物或非生物脅迫時會釋放 BVOCs 來警告鄰近植物。
• 本研究旨在建立一個數學模型來解釋植物間的端到端壓力傳遞，並探討影響此過程的系統組成部分。

數學建模

• 發送器植物：
  • 將外部壓力因素建模為信息源。
  • 將 BVOCs 排放建模為訊息信號。
  • 使用非線性微分方程模型模擬 BVOCs 的產生速率。
  • 將訊息信號定義為 BVOCs 排放量與正常排放量之間的差異。
• 開放空間通訊通道：
  • 將通訊通道建模為 3D 對流通道環境。
  • 使用湍流擴散公式模擬 BVOCs 在空氣中的傳播。
• 接收器植物：
  • 將 BVOCs 的吸收建模為吸收接收器。
  • 使用穩態解模型模擬葉片對 BVOCs 的吸收。
  • 將接收信號定義為接收器植物所在位置的 BVOCs 濃度。
  • 將解調後的訊息信號定義為接收器植物葉片中存在的 BVOCs 量。

模型驗證與數值分析

• 使用文獻中的實驗數據驗證了排放模型，結果顯示該模型能夠準確地模擬不同植物在不同脅迫條件下的 BVOCs 排放。
• 透過數值分析，探討了距離、風速、渦流擴散係數、系統噪聲強度和接收器閾值等系統參數對 BVOCs 濃度的影響。

壓力傳遞中的安全性和通道接入

• 植物利用比率偏移鍵控 (RSK) 調製技術來加密訊息和實現多用户通道。
• RSK 使發送器植物能夠選擇性地將訊息傳遞給特定種類的接收器植物，從而防止競爭者植物獲取信息。
• 透過分析不同系統噪聲強度下 RSK 的性能，發現 RSK 可以增加通訊距離，同時防止競爭物種竊聽。
• 不同植物物種和脅迫因素會導致揮發性植物成分的差異，從而實現多路訪問，允許多個植物同時使用相同的介質進行通訊。

結論

• 本研究建立了一個數學模型來解釋植物間的壓力傳遞，並探討了影響此過程的關鍵因素。
• 研究結果表明，RSK 調製技術可以提高壓力傳遞的安全性，並允許多個植物共享相同的通訊通道。
• 未來研究可以進一步探討 RSK 的影響，以及多路訪問在壓力傳遞中的作用。

Статистика

植物間有效的壓力傳遞距離可達 6 到 7 米。
Alnus glutinosa 在受到食草動物脅迫時，其單萜排放量為 1.1 · 10^-9 千克。
地面渦流擴散係數的實驗值為 0.1 平方米/秒。

Цитаты

"For a BVOC to be considered a message signal between plants, its release quantity in response to stress should significantly differ from the quantity of ordinary constitutive emissions of the same BVOC in the transmitter plant."
"This is supported by the fact that there is a clear link between the level of stress a plant experiences and the quantity of chemicals it releases."
"In nature, by utilizing RSK modulation for message signals, transmitter plants allow only receiver plants of the same species to understand the messages they send."

Ключевые выводы из

End-to-End Mathematical Modeling of Stress Communication Between Plants

by Ahmet B. Kil... в arxiv.org 10-16-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.11790.pdf

Дополнительные вопросы

植物如何利用 RSK 技術來區分來自不同脅迫源的信號？

植物利用比例偏移鍵控 (RSK) 技術來區分來自不同脅迫源的信號，主要是透過釋放和辨識不同比例的生物揮發性有機化合物 (BVOCs) 混合物。
具體來說：

不同脅迫源會誘導植物產生不同的 BVOCs 混合物。 例如，受到昆蟲啃咬的植物可能會釋放較高比例的萜烯類化合物，而遭受乾旱脅迫的植物則可能釋放較高比例的醛類化合物。
接收植物能夠辨識這些 BVOCs 混合物的比例差異，並將其解碼為不同的訊息。 這就像人類可以透過聞不同的氣味來分辨不同的食物一樣。
植物的基因型和環境因素也會影響其釋放的 BVOCs 混合物的組成。 這增加了 RSK 技術的複雜性和精確度。

總之，RSK 技術就像植物間的「化學語言」，讓它們能夠透過釋放和辨識不同比例的 BVOCs 混合物來傳遞關於不同脅迫源的訊息。

如果接收植物已經處於防禦狀態，它對壓力信號的反應是否會有所不同？

是的，如果接收植物已經處於防禦狀態，它對壓力信號的反應可能會有所不同。
以下是幾種可能的反應：

增強防禦反應： 接收植物可能會增強其現有的防禦機制，例如產生更多防禦性化合物或增厚細胞壁，以更好地抵禦即將到來的威脅。
啟動不同防禦途徑： 接收植物可能會根據接收到的壓力信號類型，啟動不同的防禦途徑。例如，如果接收到的信號表明即將遭受昆蟲攻擊，它可能會啟動針對昆蟲的特定防禦機制。
降低反應強度： 接收植物也可能降低其對壓力信號的反應強度，特別是如果它已經處於高度防禦狀態，並且資源有限的情況下。
忽略壓力信號： 在某些情況下，接收植物可能會完全忽略壓力信號，特別是如果它確定該信號與自身無關，或者它有信心能夠抵禦即將到來的威脅。

總之，接收植物對壓力信號的反應取決於多種因素，包括其自身的生理狀態、先前受到的脅迫、接收到的信號類型以及環境條件等。

植物間的壓力傳遞是否可以應用於農業領域，例如開發新的害蟲防治策略？

是的，植物間的壓力傳遞在農業領域具有巨大的應用潛力，特別是在開發新的害蟲防治策略方面。
以下是一些可能的應用方向：

開發預警系統： 通過監測植物釋放的 BVOCs，可以開發出預警系統，及時發現害蟲或病原體的入侵，並採取相應的防治措施。
誘導植物抗性： 可以利用人工合成的 BVOCs 或其類似物，誘導植物產生系統抗性，增強其對害蟲和病原體的抵抗能力。
吸引害蟲天敵： 一些植物在遭受害蟲攻擊時會釋放特定的 BVOCs，吸引害蟲的天敵前來捕食害蟲，達到生物防治的目的。
開發新型生物農藥： 可以利用植物釋放的 BVOCs 或其衍生物，開發出新型生物農藥，以更加環保的方式防治害蟲和病原體。

然而，要將植物間的壓力傳遞應用於農業實踐，還需要克服一些挑戰：

BVOCs 的種類繁多，作用機制複雜： 需要深入研究不同植物釋放的 BVOCs 的種類、功能和作用機制，才能更好地利用它們進行害蟲防治。
環境因素對 BVOCs 傳遞的影響： 溫度、濕度、風速等環境因素都會影響 BVOCs 的傳遞效率，需要開發出適應不同環境條件的應用技術。
大規模應用的成本效益： 需要開發出成本效益高的 BVOCs 監測和應用技術，才能將其推廣應用於大規模農業生產。

總之，植物間的壓力傳遞為農業害蟲防治提供了新的思路和方法，具有巨大的應用潛力。隨著研究的深入和技術的進步，相信植物間的壓力傳遞將在未來農業生產中發揮越來越重要的作用。