Моделирование роста грибного мицелия с помощью клеточного непрерывного стохастического автомата четвертого класса с непрерывно заданными условиями роста

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Целью данной работы являлось моделирование роста и пространственной структуры грибного мицелия с использованием клеточного автомата на основе синтеза различных модельных подходов. Пространственная структура мицелия описывается в структурной подмодели клеточного автомата, которая определяет скорость роста в направлении большего количества ресурсов и количество ветвлений мицелия на единицу площади субстрата. Количество доступного субстрата определяет вероятность однонаправленного апикального роста. Другая, биохимическая, часть модели позволяет описать скорость транспорта ресурсов в клетку, перенос их внутри мицелия, а также их экскрецию и предназначена для описания вертикальной и горизонтальной миграции в почве сразу двух биофильных элементов. Предложенная модель позволяет количественно описать такую особенность роста грибной колонии, как более активное поглощение ресурсов внешними клетками, по сравнению с центральными за счет разделения транспорта ресурсов на активный и пассивный. При этом активный транспорт описывали, используя кинетику Михаэлиса-Ментен. Мы смогли смоделировать запасание избыточных ресурсов и их перераспределение по мицелию после исчерпания запасов во внешней среде, а также имитировать типичные рисунки роста мицелиальных колоний, которые наблюдались в экспериментах, опубликованных в литературе.

Об авторах

Анатолий Сергеевич Шумилов

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: anatoliy.sergreevich.shumilov@gmail.com

аспирант, младший научный сотрудник лаборатории математического моделирования экосистем

Россия, Пущино

Сергей Александрович Благодатский

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: sblag@mail.ru

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода

Россия, Пущино

Список литературы

  1. Добровольский Г.В. Педосфера - оболочка жизни планеты Земля // Биосфера. 2009. Т. 1, № 1. С. 6-14.
  2. Dix N.J., Webster J. Fungal ecology. Springer-Science+Business Media, 1995. 549 p.
  3. Hofsten B.V., Rydéean A.L. Submerged cultivation of a thermotolerant basidiomycete on cereal flours and other substrates // Biotechnology and Bioengineering. 1975. Vol. 17 (8). P. 1183-1197.
  4. Alton L. The viability of microscopic fungal cultures from soddy-podzolic soil at different temperatures of sea and river water // Microbiology. Vol. 52. P. 482-485.
  5. Ritz K., Young I.M. Interactions between soil structure and fungi // Mycologist. 2004. Vol. 18 (2). P. 52-59.
  6. Jacobs H., et al. Solubilization of calcium phosphate as a consequence of carbon translocation by Rhizoctonia solani // FEMS Microbiology Ecology. 2002. Vol. 40 (1). P. 65-71.
  7. Boswell G.P. Modelling mycelial networks in structured environments // Mycological research. 2008. Vol. 112 (9). P. 1015-1025.
  8. Boswell G.P., Hopkins S. Linking hyphal growth to colony dynamics: spatially explicit models of mycelia // Fungal Ecology. 2008. № 1 (4). P. 143-154.
  9. Regalado C.M., Sleeman B.D., Ritz K. Aggregation and collapse of fungal wall vesicles in hyphal tips: a model for the origin of the Spitzenkörper // Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 1997. Vol. 352 (1364). P. 1963-1974.
  10. Szabo R., Štofanı́ková V. Presence of organic sources of nitrogen is critical for filament formation and pH-dependent morphogenesis in Yarrowia lipolytica // FEMS microbiology letters. 2002. Vol. 206 (1). P. 45-50.
  11. Gbolagade J., et al. Effect of physico-chemical factors and semi-synthetic media on vegetative growth of Lentinus subnudus (Berk.), an edible mushroom from Nigeria // Food chemistry. 2006. Vol. 99 (4). P. 742-747.
  12. Вигонт В.А., Миронычева Е.С., Топаж А.Г. Модификация модели роста грибов Чантера-Торнли и ее анализ средствами многоподходного имитационного моделирования // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. № 7 (2). С. 375-385.
  13. Stadler D.R. Chemotropism in Rhizopus nigricans: the staling reaction // Journal of Cellular and Comparative Physiology. 1952. Vol. 39 (3). P. 449-474.
  14. Meyer A., et al. Simulating mycorrhiza contribution to forest C-and N cycling-the Mycofon model // Plant and soil. 2010. Vol. 327 (1-2). P. 493-517.
  15. Семенов А.Я., Абрамова Л.П., Хохряков М.К. Определитель паразитных грибов на плодах и семенах культурных растений. Л.: Колос: Ленингр. отд-ние, 1980. 302 с.
  16. Сычёв П.А., Ткаченко Н.П. Грибы и грибоводство. М.: АСТ-Сталкер, 2003. 511 с.
  17. Davidson F.A. Mathematical modelling of mycelia: a question of scale // Fungal Biology Reviews, 2007. № 21 (1). P. 30-41.
  18. Кураков А.В., Харин С.А. Взаимодействия грибов и дождевых червей // Биотические связи грибов: мосты между царствами: мат-лы VII всерос. микологической школы-конф. с междунар. уч. М.: МГУ, 2015. С. 67-105.
  19. Федоровская Г.И. Грибная энциклопедия. М.: Рипол-Классик, 2002. 574 с.
  20. Ryan F.J., Beadle G., Tatum E. The tube method of measuring the growth rate of Neurospora // American Journal of Botany. 1943. P. 784-799.
  21. Madkour S., et al. Effect of treatment with industrial waste water on the growth and pathogenicity of some soil-borne fungi // Journal of Agricultural Sciences Mansoura University. 1991. Vol. 16, 3. P. 598-614.
  22. Gow N., et al. The fungal colony // Cambridge University Press 2007. Vol. 21.
  23. Горбунова И.А. Макромицеты Приобских боров // Сибирский ботанический вестник. 2007. № 2 (1). С. 41-50.
  24. Ritz K. Growth responses of some soil fungi to spatially heterogeneous nutrients // FEMS Microbiology Ecology. 1995. Vol. 16 (4). P. 269-279.
  25. Ames R., et al. Hyphal uptake and transport of nitrogen from two 15N-labelled sources by Glomus mosseae, a vesicular-arbuscular mycorrhizal fungus // New Phytologist. 1983. Vol. 95 (3). P. 381-396.
  26. Kaiser C., et al. Microbial community dynamics alleviate stoichiometric constraints during litter decay // Ecology letters. 2014. Vol. 17 (6). P. 680-690.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок 1 – Логика апикального роста и ветвления

Скачать (18KB)
Метаданные
3. Рисунок 2 – Рост триходермы крестом в системе агар – воздушные ловушки. Темные клетки – агар, более светлые (серые) – мицелий; белое пространство между темным блоками – воздушные ловушки

Скачать (5KB)
Метаданные
4. Рисунок 3 – Рост мицелия крестом в модели

Скачать (161KB)
Метаданные

© Шумилов А.С., Благодатский С.А., 2017

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».