< Terug naar vorige pagina
Project
Virtuele weefselgeneratie van fruit op basis van celgroeimodellen
Omdat appel- en peerproductie zowel plaats- als seizoensgebonden is, isde toepassing van bewaartechnologie nodig om de kwaliteit gedurende eenlangere periode te garanderen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een lagere temperatuur en een gewijzigde samenstelling van de atmosfeer tijdens de bewaring, door middel van zogenoemde gecontroleerde atmosfeerbewaring (CA bewaring) of ultra-lage zuurstof bewaring (ULO bewaring). De optimale bewaarcondities zijn vrucht- en cultivarafhankelijk en worden experimenteel bepaald. Een beter begrip van de fruitfysiologie na de pluk inrelatie tot gas- en wateruitwisseling tijdens bewaring draagt bij tot het verbeteren van de bewaartechnolgie en de uiteindelijke kwaliteit van de vruchten.
Voor het analyseren van gas- en wateruitwisseling inrelatie tot fysiologische gebreken in appel en peer wordt een beroep gedaan op zowel experimentele metingen als wiskundige modellen. Experimentele metingen zijn echter duur, monotoon en vereisen veel tijd. Ze laten ook niet goed toe om de ontwikkeling van fysiologische gebreken te bestuderen omwille van het gebrek aan niet-destructieve technieken om de interne gasconcentratie in vruchten te meten. Wiskundige modellen bieden eenalternatief om transportprocessen van gassen en water te bestuderen. Deze modellen doen veelal beroep op de continuümhypothese, waarbij de weefsels van de vrucht beschouwd worden als materialen met transporteigenschappen die onafhankelijk zijn van de ruimtelijke schaal. Nochtans hebben weefsels een complexe microstructuur. De stapeling, vorm en grootte van de cellen en de intercellulaire ruimten bepalen in belangrijke mate de eigenschappen van het weefsel. De continuümhypothese is in dit geval nietgeldig en een multischaalbenadering is noodzakelijk waarbij de parameters van het model dat actief is op de macroschaal de schaal waarin men geïnteresseerd is worden berekend aan de hand van simulaties met een microschaalmodel waarin de werkelijke microstructuur van de vrucht vervatis. Hiervoor zijn geometrische modellen van de vrucht noodzakelijk.Computergebaseerde weefselgeneratoren voor hardfruit bestaan maar doen beroep op 2D of 3D microscopische beelden van de weefselhistologie. Hiertoe zijn complexe beeldverwerkingstechnieken en moeilijk toegankelijke grootschalige infrastructuur zoals synhrotronfaciliteiten noodzakelijk. Zij laten ook niet toe om de microschaal te parameteriseren om bijvoorbeel heteffect van celgrootte of vorm op de transporteigenschappen op een systematische wijze te onderzoeken.
De hoofddoelstelling van dit doctoraatsonderzoek was het ontwikkelen van een virtuele weefselgenerator opbasis van biomechanische weefselgroeimodellen, die toelaten om statistisch en ruimtelijk equivalente in silico weefsels van appel en peer te genereren. Het was hierbij van belang om de symplast, de celwand en de intercellulaire luchtruimte in zowel 2D als 3D te beschrijven en de virtuele weefsels te koppelen met eindige-elementen- of eindigevolumecodes. Deweefselgenerator wordt geïnitialiseerd door een stochastische Voronoi- tesselatie, waarop vervolgens biomechanische modelvergelijkingen van plantaardige celgroei worden toegepast. De geometrische eigenschappen van de virtuele weefsels die op deze wijze werden gegenereerd zijn gelijkaardig als deze van appel- peerweefsels die gevisualiseerd werden met behulpvan X-stralensynchrotronmicrotomografie. Verder hebben we ook een celdelingsalgorithme ontworpen dat gebaseerd is op celbiomechanica en dat toelaat om zowel symmetrische als asymmetrische celdelig na te bootsen met verschillende graad van anisotrope groei. Het celdelingsalgorithme kan worden gebruikt in de plaats van de Voronoi-tesselatie als invoer voor deexpansieve celgroeimodellen. De initiële tesselaties die worden bekomenmet het celdelingsalgorithm resulteren in een meer realistische voorstelling van het weefsel dan Voronoi-tesselaties.
De geometrische modellen kunnen gebruikt worden om in silico simulaties uit te voeren om transporteigenschappen te berekenen die vervolgens kunnen gebruikt worden in multischaalstudies van gas- en vochttransport in hardfruit. Bij deze benadering dienen minder veronderstellingen gemaakt te worden en kunnen er meer geometrische details worden ingebouwd in de modellen, terwijl de computertijd aanzienlijk minder is dan deze die nodig is om de modelvergelijkingen voor de macroschaal op te lossen met microschaalresolutie.
Voor het analyseren van gas- en wateruitwisseling inrelatie tot fysiologische gebreken in appel en peer wordt een beroep gedaan op zowel experimentele metingen als wiskundige modellen. Experimentele metingen zijn echter duur, monotoon en vereisen veel tijd. Ze laten ook niet goed toe om de ontwikkeling van fysiologische gebreken te bestuderen omwille van het gebrek aan niet-destructieve technieken om de interne gasconcentratie in vruchten te meten. Wiskundige modellen bieden eenalternatief om transportprocessen van gassen en water te bestuderen. Deze modellen doen veelal beroep op de continuümhypothese, waarbij de weefsels van de vrucht beschouwd worden als materialen met transporteigenschappen die onafhankelijk zijn van de ruimtelijke schaal. Nochtans hebben weefsels een complexe microstructuur. De stapeling, vorm en grootte van de cellen en de intercellulaire ruimten bepalen in belangrijke mate de eigenschappen van het weefsel. De continuümhypothese is in dit geval nietgeldig en een multischaalbenadering is noodzakelijk waarbij de parameters van het model dat actief is op de macroschaal de schaal waarin men geïnteresseerd is worden berekend aan de hand van simulaties met een microschaalmodel waarin de werkelijke microstructuur van de vrucht vervatis. Hiervoor zijn geometrische modellen van de vrucht noodzakelijk.Computergebaseerde weefselgeneratoren voor hardfruit bestaan maar doen beroep op 2D of 3D microscopische beelden van de weefselhistologie. Hiertoe zijn complexe beeldverwerkingstechnieken en moeilijk toegankelijke grootschalige infrastructuur zoals synhrotronfaciliteiten noodzakelijk. Zij laten ook niet toe om de microschaal te parameteriseren om bijvoorbeel heteffect van celgrootte of vorm op de transporteigenschappen op een systematische wijze te onderzoeken.
De hoofddoelstelling van dit doctoraatsonderzoek was het ontwikkelen van een virtuele weefselgenerator opbasis van biomechanische weefselgroeimodellen, die toelaten om statistisch en ruimtelijk equivalente in silico weefsels van appel en peer te genereren. Het was hierbij van belang om de symplast, de celwand en de intercellulaire luchtruimte in zowel 2D als 3D te beschrijven en de virtuele weefsels te koppelen met eindige-elementen- of eindigevolumecodes. Deweefselgenerator wordt geïnitialiseerd door een stochastische Voronoi- tesselatie, waarop vervolgens biomechanische modelvergelijkingen van plantaardige celgroei worden toegepast. De geometrische eigenschappen van de virtuele weefsels die op deze wijze werden gegenereerd zijn gelijkaardig als deze van appel- peerweefsels die gevisualiseerd werden met behulpvan X-stralensynchrotronmicrotomografie. Verder hebben we ook een celdelingsalgorithme ontworpen dat gebaseerd is op celbiomechanica en dat toelaat om zowel symmetrische als asymmetrische celdelig na te bootsen met verschillende graad van anisotrope groei. Het celdelingsalgorithme kan worden gebruikt in de plaats van de Voronoi-tesselatie als invoer voor deexpansieve celgroeimodellen. De initiële tesselaties die worden bekomenmet het celdelingsalgorithm resulteren in een meer realistische voorstelling van het weefsel dan Voronoi-tesselaties.
De geometrische modellen kunnen gebruikt worden om in silico simulaties uit te voeren om transporteigenschappen te berekenen die vervolgens kunnen gebruikt worden in multischaalstudies van gas- en vochttransport in hardfruit. Bij deze benadering dienen minder veronderstellingen gemaakt te worden en kunnen er meer geometrische details worden ingebouwd in de modellen, terwijl de computertijd aanzienlijk minder is dan deze die nodig is om de modelvergelijkingen voor de macroschaal op te lossen met microschaalresolutie.
Datum:1 okt 2009 → 14 jan 2014
Trefwoorden:virtual tissue, growth, postharvest, model, fruit
Disciplines:Plantenbiologie, Productie van landbouwgewassen, Tuinbouwproductie, Algemene biologie, Productie van landbouwdieren, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Andere landbouw, bosbouw, visserij en aanverwante wetenschappen
Project type:PhD project