Multi-agent modeling in plant biology

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Traditional methods, such as systems of algebraic or differential equations, L-systems, or functional-structural models, are often unable to fully simulate the dynamic interactions of plants with their environment. Multi-agent systems allow the modeled object to be represented as a collective of autonomous agents representing individual functional parts, each of which follows local rules that ensure decision-making and interaction with the external environment.

Aim. The study is to analyze modern approaches to multi-agent modeling in plant biology. An analysis of several publications revealed that multi-agent modeling reproduces orange tree growth, root system architecture, the morphological adaptation of black alder, and the behavioral plasticity of animals in plant ecosystems, enabling the implementation of digital twins of wheat. The reviewed studies place particular emphasis on the emergent properties of the proposed models, which manifest themselves without explicitly defining global rules. The results of the analysis demonstrate the high potential of the multi-agent approach as a tool for modeling the morphological and physiological processes of biological systems, as well as its potential for digital farming, breeding, and yield forecasting in a changing climate. This approach is capable of accounting for spatial heterogeneity of the environment and temporal changes in conditions. The presented review of research shows that the approach based on multi-agent systems is successfully applied to modeling tree growth, root systems, population dynamics, and digital twins of agricultural crops.

About the authors

М. I. Anchekov

Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: murat.antchok@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8977-797X
SPIN-code: 3299-0927

Head of the Laboratory of Simulation Modeling of Phenogenetic Processes of the Scientific and Innovation Center “Intelligent Genetic Systems” 

Russian Federation, 2, Balkarov street, Nalchik, 360010, Russia

Zh. Kh. Kurashev

Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: kurashev-j@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9442-6122
SPIN-code: 8549-2620

Head of the Scientific and Innovation Center “Intelligent Genetic Systems” 

2, Balkarov street, Nalchik, 360010, Russia

References

  1. Qu H., Wang Yo., Cai Lg, Wang T. Orange tree simulation under heterogeneous environment using agent-based model ORASIM. Simulation Modelling Practice and Theory. 2012. Vol. 23. Pp. 19-35. doi: 10.1016/j.simpat.2011.12.005
  2. Reuter H., Jopp F., Hölker F., Eschenbach Ch.A. The ecological effect of phenotypic plasticity - Analyzing complex interaction networks (COIN) with agent-based models. Ecological Informatics. 2008. Vol. 3. No. 1. Pp. 35-45. doi: 10.1016/j.ecoinf.2007.03.010
  3. Iordansky N.N. Phenotypic plasticity of organisms and evolution. Russkiy ornitologicheskiy zhurnal [Russian Ornithological Journal]. 2024. Vol. 33. No. 2385. Pp. 294-303. EDN: HTMMOX. (In Russian)
  4. Eschenbach C. The effect of light acclimation of single leaves on whole tree growth and competition - an application of the tree growth model ALMIS. Annals of Forest Science. 2000. Vol. 57. No. 5. Pp. 599-609. doi: 10.1051/forest:2000145
  5. Mußmann M., Hofstadler D.N., Mammen S. von. An Agent-based, Interactive Simulation Model of Root Growth. The 2024 Conference on Artificial Life. 2024. doi: 10.1162/isal_a_00718
  6. Raies Y., von Mammen S. A Swarm Grammar-Based Approach to Virtual World Generation. Lecture Notes in Computer Science. 2021. Pp. 459-474. doi: 10.1007/978-3-030-72914-1_30
  7. Lindenmayer A. Mathematical models for cellular interactions in development II. Simple and branching filaments with two-sided inputs. Journal of Theoretical Biology. 1968. Vol. 18. No. 3. Pp. 300-315. doi: 10.1016/0022-5193(68)90080-5
  8. Prusinkiewicz P. Pillars of theoretical biology: Mathematical models for cellular interaction in development. I and II. Journal of Theoretical Biology. 2025. No. 609. P. 112142
  9. Li X., Su Zh., Sun H., Zheng P. Agent-based plant growth modeling. ICICSE '09: Proceedings of the 2009 Fourth International Conference on Internet Computing for Science and Engineering. 2009. Pp. 6-11. doi: 10.1109/ICICSE.2009.8
  10. Garro A., Falcone A., Baldoni M. et al. Intelligent agents: multi-agent systems. Encyclopedia of Bioinformatics and Computational Biology. 2025. Pp. 379-385.
  11. Skobelev P., Laryukhin V., Simonova E. et al. Multi-agent approach for developing a digital twin of wheat. In 2020 IEEE International Conference on Smart Computing (SMARTCOMP). 2020. Pp. 268-273. doi: 10.1109/smartcomp50058.2020.00062
  12. Tikhonov A.A., Golovatyi V.S. Plant development planning models for digital twin services for crops. Modern Science. 2022. No. 2-2. Pp. 278-283. EDN: IYEJFS. (In Russian)
  13. Grieves M. Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication. White Paper. 2015.
  14. Skobelev P., Mayorov I., Simonova E. et al. Development of digital twin of plant for adaptive calculation of development stage duration and forecasting crop yield in a cyber-physical system for managing precision farming. Studies in Systems, Decision and Control. Springer. 2021. Pp. 83-96. doi: 10.1007/978-3-030-67892-0_8
  15. Lee E.A. Cyber physical systems: design challenges. 2008 11th IEEE international symposium on object and component-oriented real-time distributed computing (ISORC). 2008. Pp. 363-369. doi: 10.1109/ISORC.2008.25

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Anchekov М.I., Kurashev Z.K.

Creative Commons License
This work is licensed under a 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».