Morphophysiological characteristics of (Coffea arabica L.) in different arrangements: lessons from a 3d virtual plant approach

Abstract

3D vegetative structural and functional models are useful in simulations of ecophysiological and biophysical processes. The main objective of this study was to model a 3D Coffea arabica L. structure. The specific aim was to use 3D mock-ups for analysis of vertical leaf and berry distribution and light interception in coffee crops cultivated in different planting densities and arrangements. The mock-ups were built after abstraction and codification by VPlants, based on morphological measurements (orthotropic shoot height and its number of internodes; positions of second to fourth branching order plagiotropics; internode number on first to fourth branching order plagiotropics number of leaf pairs), and several hypotheses. Mock-ups were visualized in PlantGLViewer, while Silhouette to Total Area Ratio (STAR), leaf area (LA) and berry distribution were processed in VegeSTAR. Planting arrangements influenced STAR when the plants were grown in a low density (6,000 plants ha -1 ). Plant density had a significant effect on the number of berries in square arrangements. The higher layers were occupied by first order foliage and few berries, allowing more light to pass to the lower canopy layers. Berries were abundant in the first and second order plagiotropic branches, in the highest and middle layers. Light distribution was more uniform than leaf area distribution, indicative of a disperse foliage and efficient space occupation. STAR correlated strongly with berry number, especially in the upper, less shaded canopy layers, where flower induction was the most intense.Os modelos vegetativos estruturais e funcionais em 3D mostram-se úteis na simulação de processos ecofisiológicos e biofísicos. O objetivo principal deste estudo foi modelar a estrutura 3D de Coffea arabica L.. Os objetivos específicos foram analisar as distribuições verticais de folhas e frutos e a interceptação de radiação de cafeeiros cultivados em diferentes arranjos e densidades. As reconstruções 3D (maquetes) foram obtidas após a abstração e codificação em VPlants, baseadas nas medições morfológicas (altura do tronco ortotrópico; número de entrenós do tronco; posição e comprimento de ramos primários plagiotrópicos; posições de ramos de segunda a quarta ordem; número de entrenós nos ramos plagiotrópicos primários a quaternários; número de pares de folhas) e diversas hipóteses. As maquetes foram visualizadas no PlantGLViewer, enquanto a Razão da Área Total da Silhueta (STAR), área foliar (LA) e a distribuição dos frutos foram processados no VegeSTAR. O arranjo de plantas afetou STAR quando cultivadas em baixa densidade. A densidade influenciou significativamente o número de frutos no arranjo quadrangular. O espaço das camadas superiores foi ocupado por folhagem da primeira ordem e por poucos frutos, permitindo maior transmissão de radiação para as camadas inferiores. Os frutos foram localizados em abundância nos plagiotrópicos de primeira e segunda ordem, nas camadas superiores e medianas. A distribuição de luz foi mais uniforme do que a da LA, o que indica uma folhagem dispersa com ocupação eficiente do espaço. Houve alta correlação entre número de frutos e STAR, especialmente em camadas superiores, menos sombreadas, onde a indução floral foi mais intensa.