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根系生长力学的平滑粒子流体动力学。 (英语) Zbl 1464.76152号

摘要:植物发育生物学的一个主要挑战是了解细胞在器官形成过程中是如何生长的。迄今为止,以细胞分辨率开发整个器官的计算模型已被证明是困难的,因此,目前对自我组织生物物理学假设的测试是有限的。
在这里,我们在平滑粒子流体动力学(SPH)框架中建立了植物组织生长的模型。该框架将SPH粒子与组织中的单个细胞相识别,但组织生长是使用SPH近似在宏观水平上进行的。植物组织是一种各向异性的多孔弹性材料,其中膨胀压力使细胞壁变形,生物合成和细胞分裂控制着组织的密度。
模型的性能通过一系列测试和基准进行评估。结果表明,模拟具有良好的稳定性和收敛性,并且该技术可以用于更复杂的生物问题。

MSC公司:

76米28 粒子法和晶格气体法
65亿75 涉及偏微分方程的初值和初边值问题的概率方法、粒子方法等
92C80型 植物生物学
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部 哈尔

参考文献:

[1] 唐尼,H。;Otten,W。;Spiers,A。;瓦伦丁·T。;LX,D.,《根际成像用透明土壤》,《公共科学图书馆·综合》,第7、9页(2012年)
[2] Dupuy,L。;麦肯齐,J。;Haseloff,J.,简单形态发生系统中植物细胞分裂和扩展的协调,国家科学院学报,107,6,2711-2716(2010)
[3] Furuta,K.M。;Hellmann,E。;Helariutta,Y.,《原形成层发育期间细胞规格和细胞分化的分子控制》,《植物生物学年鉴》,65,1,607-638(2014)
[4] 费德里奇,F。;杜普伊,L。;拉普拉泽。;海斯勒,M。;Haseloff,J.,《原位细胞术的综合遗传和计算方法》,Nat methods,9,5,483-485(2012)
[5] Gingold,R.A。;Monaghan,J.J.,《平滑粒子流体动力学——非球形恒星的理论和应用》,Mon Not R Astron Soc,181,375-389(1977)·Zbl 0421.76032号
[6] Lucy,L.B.,《裂变假设检验的数值方法》,Astron J,82,1013-1024(1977)
[7] Monaghan,J.J.,《平滑粒子流体动力学》,在线,681703-1759(2005)
[8] 刘,M。;Liu,G.,《光滑粒子流体动力学(SPH):概述和最新发展》,《Arch Comput Methods Eng》,17,1,25-76(2010)·Zbl 1348.76117号
[9] Monaghan,J.,《平滑粒子流体动力学及其各种应用》,《流体力学年鉴》,44,1,323-346(2012)·Zbl 1361.76019号
[10] Yashiro,S.,《粒子模拟方法在复合材料中的应用:综述》,《高级复合材料》,26,1,1-22(2017)
[11] 曹,Z。;Patra,A。;Bursik,M。;皮特曼,E.B。;Jones,M.,Plume-sph 1.0:基于平滑粒子流体动力学的三维含尘气体火山羽流模型,Geosci model Dev,11,7,2691-2715(2018)
[12] Palyanov,A。;Khayrulin,S.,Sibernetic:基于PCI SPH算法的软件复合体,旨在解决生物力学模拟问题,Rus J Genet:Appl,5,6,635-641(2015)
[13] 普莱斯,D.J。;Wurster,J。;Tricco,T.S。;尼克松,C。;图平,S。;Pettitt,A.,《幻影:用于天体物理学的平滑粒子流体动力学和磁流体动力学代码》,Publ Astron Soc Aust,35,e031(2018)
[15] 克雷斯波,A.J.C。;Domínguez,J.M。;罗杰斯,B.D。;戈梅斯·盖斯特拉,M。;Longshaw,S。;Canelas,R.,《DualSPHysics:基于平滑粒子流体动力学(SPH)的开源并行CFD求解器》,计算物理委员会,187204-216(2015)·Zbl 1348.76005号
[16] Antoci,C。;加拉蒂,M。;Sibilla,S.,SPH流体-结构相互作用的数值模拟,计算结构,85,11,879-890(2007)
[17] 达斯·R。;Cleary,P.W.,单轴压缩下经典SPH方法的准确性和稳定性评估,科学计算杂志,64,3,858-897(2015)·Zbl 06499235号
[18] Fuller,M.D.,《光滑粒子流体动力学在固体材料建模中的应用》(2010),莱斯特大学工程系
[19] 黄,Y。;戴,Z。;Zhang,W.,地质灾害建模与分析:基于SPH的方法(2014),施普林格
[21] Islam M.R.I.,Chakraborty S.,Shaw A.,Reid S.。韧性材料在冲击下失效的计算模型。国际J冲击工程;Islam M.R.I.、Chakraborty S.、Shaw A.和Reid S.。冲击下韧性材料失效的计算模型。国际J冲击工程
[22] H.C.P.卡鲁塞纳。;西塞纳黛拉。;顾义堂。;Brown,R.J。;Helambage,C.P.K。;Senadeera,W.,《干燥过程中苹果薄壁细胞流体和固体力学的耦合SPH-DEM模型》,第十八届澳大利亚流体力学会议论文集(2012年)
[23] Rausch,M.K。;Karniadakis,G.E。;Humphrey,J.D.,《使用粒子/连续介质组合方法模拟软组织损伤和失效》,《生物医学模型-机械双醇》,16,1,249-261(2017)
[25] Bui,H.H。;福川,R。;Sako,K.,《SPH应用于饱和土壤问题的物质研究》(第五届国际SPHERIC研讨会(2010)),354-361
[26] Osorno,M。;Steeb,H.,多孔弹性介质的平滑粒子流体动力学建模,PAMM,16,1,469-470(2016)
[27] Osorno,M。;Steeb,H.,多孔弹性流体耦合的光滑粒子流体动力学模型,PAMM,18,1,1-2(2018)
[28] Van Liedekerke,P。;Tijskens,E。;拉蒙,H。;盖泽尔,P。;Samaey,G。;Roose,D.,用于模拟生物细胞微观力学的基于粒子的模型,Phys Rev E-Stat非线性软物质Phys,81,6,061906(2010)
[29] 邦内尔,I.a。;贝特,M.R。;克拉克,C.J。;Pringle,J.E.,《吸积与小星团中的恒星质谱》,Mon Not R Astron Soc,285,1,201-208(1997)
[30] Cossins,P.J.,《引力不稳定性及其在原行星和原恒星盘演化中的作用》(2010),莱斯特大学
[31] 费德拉斯,C。;Banerjee,R。;克拉克,P.C。;Klessen,R.S.,《湍流气体云中的坍塌和吸积建模:AMR和SPH中下沉粒子的实现和比较》,天体物理学J,713,1,269-290(2010)
[32] Winchenbach,R。;Hochstetter,H。;Kolb,A.,《不可压缩SPH的无限连续自适应性》,ACM Trans Gr,36,4,102(2017)
[33] Chiron,L。;奥格,G。;De Leffe先生。;Le Touzé,D.,《通过cpu时间、准确性和鲁棒性考虑分析和改进自适应粒子细化(APR)》,《计算物理杂志》,35452-575(2018)·Zbl 1380.76117号
[34] 粒子分裂:SPH恒星形成模拟的新方法。2000年博士论文;1.; 粒子分裂:SPH恒星形成模拟的新方法。2000年博士论文;1
[35] 胡,W。;潘·W。;拉赫什,M。;田强。;胡,H。;Negrut,D.,《一致的多分辨率平滑粒子流体动力学方法》,《应用力学与工程中的计算机方法》,324278-299(2017)·Zbl 1439.76128号
[36] Leroy,A。;维奥洛,D。;费兰德,M。;弗拉特,L。;Joly,A.,不可压缩SPH的新开放边界公式,计算数学应用,72,9,2417-2432(2016)·Zbl 1368.76055号
[37] Liu,W.T。;Sun,P.N。;Ming,F.R。;Zhang,A.M.,《颗粒分裂法在SPH流体静力学和流体力学案例中的应用》,机械学报,1-26(2017)
[38] 瓦康迪奥,R。;罗杰斯,B.D。;Stansby,P.K。;Mignosa,P。;Feldman,J.,《SPH的可变分辨率:动态粒子聚结和分裂方案》,计算方法应用机械工程,256132-148(2013)·Zbl 1352.76100号
[39] 瓦康迪奥,R。;罗杰斯,B.D。;Stansby,P.K。;Mignosa,P.,《三维SPH的可变分辨率:实现动态适应性的最优分割和合并》,计算方法应用机械工程,300,442-460(2016)·Zbl 1423.76373号
[40] Wendland,H.,分段多项式,最小次正定紧支集径向函数,高等计算数学,4,1,389-396(1995)·兹伯利0838.41014
[41] Lang,F.M。;Iglesias,A.S。;安托诺,M。;Colagrossi,A.,《自由表面流动中使用温德兰核的益处》,第六届ERCOFTAC SPHERIC SPH应用研讨会论文集,30-37(2011)
[42] Dehnen,W。;Aly,H.,《在无配对不稳定性的情况下改进平滑粒子流体动力学模拟的收敛性》,Mon Not R Astron Soc,425,2,1068-1082(2012)
[43] Monaghan,J.J.,《平滑粒子流体力学》,《天体物理学年鉴》,第30期,第543-574页(1992年)
[44] Baskin,T.I.,植物细胞壁的各向异性膨胀,《Ann Rev cell Dev Biol》,21,1,203-222(2005)
[45] 比登迪,A.J。;Geitmann,A.,《将初级植物细胞壁的力学与形态发生联系起来》,《实验植物学》,67,2449-461(2016)
[46] 盖特曼,A。;Ortega,J.K.E.,《植物细胞生长的力学和建模》,《植物科学趋势》,第1期,第9期,第467-478页(2009年)
[47] Gibson,L.J.,《植物材料的层次结构和力学》,J R Soc Interface,9,76,2749-2766(2012)
[48] Peaucelle,A.,《细胞壁扩张:生物力学过程的案例研究》,139-154(2018),Springer
[49] Ptashnyk,M。;Seguin,B.,《微纤丝取向对植物细胞壁和组织生物力学的影响》,《公牛数学生物学》,78,11,2135-2164(2016)·Zbl 1357.92006年
[50] 马萨诸塞州费利帕。;Oñate,E.,体积约束下各向异性弹性固体的应力、应变和能量分裂,计算结构,81,13,1343-1357(2003)
[51] 格雷,J.P。;莫纳汉,J.J。;Swift,R.P.,SPH弹性动力学,计算方法应用机械工程,190,49-50,6641-6662(2001)·Zbl 1021.74050号
[52] 博扎米,L。;Nakayama,N。;Boudaoud,A.,《压力下的花朵:发育过程中膨胀调节的内外》,《植物年鉴》,114,7,1517-1533(2014)
[53] 朱俊杰。;Steudle,E。;Beck,E.,通过细胞外冷冻在人工渗透细胞中产生的负压,《植物生理学》,91,4,1454-1459(1989)
[54] Cheng,A.H.-D。;Detournay,E.,《多孔弹性基本原理》,《分析设计方法:复合岩石工程:Princ Pract项目》,第二期,第113页(2014年)
[55] 雷纳,J。;Steeb,H.,《地热研究中流体传输建模》,Handb Geomath,1443-1505(2015)
[56] 北卡罗来纳州卡皮塔。;Gibeaut,D.M.,《开花植物初级细胞壁的结构模型:生长过程中分子结构与细胞壁物理特性的一致性》,植物J,3,1,1-30(1993)
[57] Ateshian,G.A.,《关于模拟生物生长的反应混合物理论》,生物医学模型-机械双醇,6,6,423-445(2007)
[58] Goriely,A.,《生物生长的数学和力学》,45(2017),Springer·Zbl 1398.92003号
[59] 琼斯,G.W。;Chapman,S.J.,《生物材料生长建模》,SIAM Rev,54,1,52-118(2012)·Zbl 1247.74042号
[60] 科尔,E。;Menzel,A。;Steinmann,P.,《增长的计算模型》。《批判性评论、概念分类和两种新的一致性方法》,《计算力学》,32,1-2,71-88(2003)·Zbl 1151.74385号
[61] 比泽特,F。;Bengough,A.G。;Hummel,I。;Bogeat Triboulot,M.-B.博士。;Dupuy,L.X.,《生长中植物根系的三维变形场揭示了对轴向机械力的机械和生物反应》,《植物学实验》杂志,67,1955605-5614(2016)
[62] Jones,A.R。;Forero-Vargas,M。;威瑟斯,S.P。;史密斯,R.S。;特拉斯·J。;Dewitte,W.,细胞周期的细胞大小依赖性进展创造了植物细胞大小的动态平衡和灵活性,Nat Commun,815060(2017)
[63] 卢沃,M。;J.-D.朱利安。;米拉贝特,V。;Boudaoud,A。;Hamant,O.,《基于拟南芥拉伸应力的细胞分裂平面定向》,国家科学院院刊,113,30,E4294-E4303(2016)
[64] 严,J。;镍,X。;Yang,L.,裂变酵母时空正反馈回路的稳健细胞大小检查点,BioMed Res Int,2013(2013)
[65] 卡达特,C。;Zlotek-Zlotkiewicz,E。;勒贝雷,M。;Piel,M。;Matthews,H.K.,《探索有丝分裂过程中细胞形状和大小的功能》,Dev cell,29,2,159-169(2014)
[66] Kwiatkowska,D.,《茎顶端分生组织的结构整合:模型、测量和实验》,《美国植物学杂志》,91,9,1277-1293(2004)
[67] 劳埃德,C。;Buschmann,H.,《工厂部门:记住在哪里建墙》,Curr Biol,17,24,R1053-R1055(2007)
[68] 贝松,S。;Dumais,J.,《植物细胞对称分裂的通用规则》,《国家科学院院刊》,第108、15、6294-6299页(2011年)
[69] 埃雷拉·L·尤伯·泽尔福曼和塞芬布拉森,博特中心,34395-398(1888)
[70] Sahlin,P。;Jönsson,H.,《细胞分裂如何影响各向同性生长下上皮组织特性的模型研究》,Plos One,5,7,e11750(2010)
[71] Verlet,L.,经典流体的计算机“实验”。I.Lennard-Jones分子的热力学性质,《物理学评论》,159、2、183-195(1967)
[72] 巴比尔·德雷伊勒(Barbier de Reuille),P。;Routier-Kierzkowska,A.-L。;Kierzkowski,D。;巴塞尔,G.W。;Schüpbach,T。;Tauriello,G.,MorphoGraphX:量化4D形态发生的平台。,eLife,405864(2015)
[73] Prusinkiewicz,P。;Runions,A.,《植物发育和形态的计算模型》,《新植物》,193,3549-569(2012)
[74] Routier Kierzkowska,A.-L。;Runions,A.,植物形态发生建模:导论,植物生物力学,165-192(2018),施普林格
[75] Steudle,E.,植物中的水流及其与其他过程的耦合:综述,酶学方法,174183-225(1989),爱思唯尔
[76] 巴顿,D.L。;Henkes,S。;Weijer,C.J。;Sknepnek,R.,《上皮组织力学细胞再溶描述的主动顶点模型》,《公共科学图书馆·计算生物学》,第13、6、1-34页(2017年)
[77] 北卡罗来纳州贝索诺夫。;米罗诺娃,V。;Volpert,V.,可变形细胞模型及其在植物分生组织生长中的应用,数学模型Natl Phenom,8,4,62-79(2013)·Zbl 1322.92029
[78] Delile,J。;Herrmann,M。;北卡罗来纳州佩里拉斯。;Doursat,R.,耦合机械行为和基因调控的早期胚胎发生的基于细胞的计算模型,Nat Commun,8,1-10(2017)
[79] 玛丽·里拉,M。;穆斯塔卡斯·弗霍(J.Moustakas-Verho)。;萨弗里亚马,Y。;Jernvall,J.,《仅差异组织生长和细胞粘附驱动早期牙齿形态发生:一项体内外研究》,PLoS Compute Biol,14,2,1-26(2018)
[81] Van Liedekerke,P。;Palm,M。;北加吉埃拉。;Drasdo,D.,《使用基于代理的模型模拟组织力学:概念、观点和一些新结果》,Comput Part Mech,2,4,401-444(2015)
[82] Band,L.R。;威尔斯,D.M。;拉里厄,A。;Sun,J。;米德尔顿,A.M。;French,A.P.,《根系向重力性由由倾点机制控制的瞬时侧向生长素梯度调节》,《国家科学院学报》,109,12,4668-4673(2012)
[83] 杜梅斯,J。;Shaw,S.L。;斯蒂尔,C.R。;Long,S.R。;Ray,P.M.,《植物细胞顶端生长形态发生的各向异性-粘塑性模型》,《国际开发生物学杂志》,50,2-3,209-222(2006)
[84] Kroeger,J.H。;盖特曼,A。;Grant,M.,花粉管钙依赖性振荡生长模型,《Theor Biol杂志》,253,2,363-374(2008)·Zbl 1398.92031号
[85] 米罗诺娃,V。;蒂勒,W。;沙赫里亚里,M。;道森,J。;Palme,K.,《发育胚胎中生长素的系统生物学》,《植物科学趋势》,22,3,225-235(2017)
[86] 德沃斯,D。;Dzhurakhalov,A。;Stijven,S。;Klosiewicz,P。;比姆斯特,G.T。;Broeckhove,J.,《虚拟植物组织:下一代植物生长模拟的构建块》,《Front plant Sci》,2017年5月8日至13日
[87] 艾伦·H·R。;Ptashnyk,M.,植物组织中生长素运输的数学模型:通量满足信号和生长(2018)·Zbl 1432.92041号
[88] 费萨尔,T.R。;赫里斯托佐夫,N。;西部,T.L。;雷伊,A.D。;Pasini,D.,通过组织几何替代模型对大黄组织弹性特性的计算研究,J Struct Biol,185,3,285-294(2014)
[89] 劳埃德,A.C。;劳拉·S。;Georgina,E。;凯瑟琳·H·L。;詹姆斯,M。;Natalie,C.,通过形式化多尺度渐近和体积平均进行均质化:这两种技术的比较如何?,《Adv Water Resour》,第62期,第178-206页(2013年)
[90] Piatnitski,A。;Ptashnyk,M.,植物组织生物力学模型的均匀化,多尺度模型模拟,15,1,339-387(2017)·Zbl 1383.35019号
[91] Banwarth-Kuhn,M。;Nematbakhsh,A。;罗德里格斯,K.W。;Snipes,S。;拉斯穆森,C.G。;Reddy,G.V.,《拟南芥多层茎尖分生组织的生成和形状结构维持的基于细胞的模型》,《公牛数学生物学》,1-37(2018)
[92] Bidhendi,A.J。;Geitmann,A.,植物细胞形状变化的有限元建模,《植物生理学》,176,1,41-56(2018)
[93] 盖泽尔,P。;Samaey,G。;Tijskens,B。;Van Liedekerke,P。;拉蒙,H。;Roose,D.,使用单个细胞力学模型对植物组织变形进行多尺度模拟,Phys Biol,6,1,016009(2009)
[94] O.哈曼特。;海斯勒,M.G。;Jonsson,H。;Krupinski,P。;Uyttewaal,M。;Bokov,P.,《拟南芥中机械信号的发育模式》,科学,32259081650-1655(2008)
[95] Jensen,O.E。;Fozard,J.A.,《植物生长生物力学的多尺度模型》,《生理学》,30,2,159-166(2015)
[96] 吉田,S。;Reuille,P.B.D。;莱恩,B。;巴塞尔,G.W。;Prusinkiewicz,P。;Smith,R.S.,《超越几何分割规则的植物发育遗传控制》,Dev Cell,29,1,75-87(2014)
[97] Burr-Hersey,J.E。;穆尼,S.J。;Bengough,A.G。;Mairhofer,S。;Ritz,K.,《X射线计算机断层扫描揭示的覆盖作物物种的发育形态与土壤容重变化表现出对比行为》,Plos One,1-18(2017)
[98] Dupuy,L。;Mimault,M。;Patko,D。;拉德米拉尔,V。;阿梅杜里,B。;麦克唐纳,M.,土壤中根系发育的微观力学,Curr Opin Genet Dev,51,18-25(2018)
[99] 布瑞尔,F。;Kneib,F。;Chareyre,B。;Fourcaud,T.,植物根系加固粒状土壤的离散模型,Ecol Eng,61,1 PARTC,646-657(2013)
[100] 郭毅。;Curtis,J.S.,《复杂颗粒流的离散元方法模拟》,《流体力学年鉴》,47,1,21-46(2015)
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