A digital imaging technique to quantify the incidence of internal browning in potato (Solanum tuberosum) tubers

Internal browning disorders, including brown fleck (BF), in potato (Solanum tuberosum) tubers greatly reduce tuber quality, but the causes are not well understood. This is due, in part, to the highly variable data provided by visual value-based rating systems. A digital imaging technique was developed to quantify accurately the incidence of internal browning in potato tubers. Images of tuber sections were scanned using a flatbed scanner and digitally enhanced to highlight tuber BF lesions, and the area of affected tissue calculated using pixel quantification software. Digital imaging allowed for the determination of previously unused indices of the incidence and severity of internal browning in potato tubers. Statistical analysis of the comparison between digitally derived and visual-rating BF data from a glasshouse experiment showed that digital data greatly improved the delineation of treatment effects. The F-test probability was further improved through square root or logarithmic data transformations of the digital data, but not of the visual-rating data. Data from a field experiment showed that the area of tuber affected by BF and the number of small BF lesions increased with time and with increase in tuber size. The results from this study indicate that digital imaging of internal browning disorders of potato tubers holds much promise in determining their causes that heretofore have proved elusive.

Gene expression changes in phosphorus deficient potato (Solanum tuberosum L.) leaves and the potential for diagnostic gene expression markers

Background: There are compelling economic and environmental reasons to reduce our reliance on inorganic phosphate (Pi) fertilisers. Better management of Pi fertiliser applications is one option to improve the efficiency of Pi fertiliser use, whilst maintaining crop yields. Application rates of Pi fertilisers are traditionally determined from analyses of soil or plant tissues. Alternatively, diagnostic genes with altered expression under Pi limiting conditions that suggest a physiological requirement for Pi fertilisation, could be used to manage Pifertiliser applications, and might be more precise than indirect measurements of soil or tissue samples. Results: We grew potato (Solanum tuberosum L.) plants hydroponically, under glasshouse conditions, to control their nutrient status accurately. Samples of total leaf RNA taken periodically after Pi was removed from the nutrient solution were labelled and hybridised to potato oligonucleotide arrays. A total of 1,659 genes were significantly differentially expressed following Pi withdrawal. These included genes that encode proteins involved in lipid, protein, and carbohydrate metabolism, characteristic of Pi deficient leaves and included potential novel roles for genes encoding patatin like proteins in potatoes. The array data were analysed using a support vector machine algorithm to identify groups of genes that could predict the Pi status of the crop. These groups of diagnostic genes were tested using field grown potatoes that had either been fertilised or unfertilised. A group of 200 genes could correctly predict the Pi status of field grown potatoes. Conclusions: This paper provides a proof-of-concept demonstration for using microarrays and class prediction tools to predict the Pi status of a field grown potato crop. There is potential to develop this technology for other biotic and abiotic stresses in field grown crops. Ultimately, a better understanding of crop stresses may improve our management of the crop, improving the sustainability of agriculture.

Serpentine leafminer (Liriomyza trifolii) on potato (Solanum tuberosum): field observations and plant photosynthetic responses to injury

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A Sampling Plan for Liriomyza huidobrensis (Diptera: Agromyzidae) on a Potato (Solanum tuberosum) Plantation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Transgenic potato (Solanum tuberosum) tubers synthesize the full spectrum of inulin molecules naturally occurring in globe artichoke (Cynara scolymus) roots

The ability to synthesize high molecular weight inulin was transferred to potato plants via constitutive expression of the 1-SST (sucrose:sucrose 1-fructosyltransferase) and the 1-FFT (fructan: fructan 1-fructosyltransferase) genes of globe artichoke (Cynara scolymus). The fructan pattern of tubers from transgenic potato plants represents the full spectrum of inulin molecules present in artichoke roots as shown by high-performance anion exchange chromatography, as well as size exclusion chromatography. These results demonstrate in planta that the enzymes sucrose:sucrose 1-fructosyltransferase and fructan:fructan 1-fructosyltransferase are sufficient to synthesize inulin molecules of all chain lengths naturally occurring in a given plant species. Inulin made up 5% of the dry weight of transgenic tubers, and a low level of fructan production also was observed in fully expanded leaves. Although inulin accumulation did not influence the sucrose concentration in leaves or tubers, a reduction in starch content occurred in transgenic tubers, indicating that inulin synthesis did not increase the storage capacity of the tubers.

Doses e parcelamento da adubação potássica na cultura da batata (Solanum tuberosum L.)

Pós-graduação em Agronomia (Agricultura) - FCA

First Report of Homothallic Isolates of Phytophthora infestans in Commercial Potato Crops (Solanum tuberosum) in the Toluca Valley, Mexico

Phytophthora infestans causes severe symptoms of wilt disease on potato crops (Solanum tuberosum) in the Toluca Valley (Mexico)despite the use of fungicides. P. infestans oospores produced by sexual reproduction can survive in the soil for many years, resisting harsh environments.

Effect of gamma-ray radiation on physiological, morphological characters and chromosome aberrations of minitubers in Solanum tuberosum L.

Purpose: To investigate the effects of gamma-ray radiation on the physiological, morphological characters and chromosome aberrations of minitubers. Materials and methods: Minitubers of one potato cultivar, 'Shepody', were irradiated with 8 doses of gamma-rays (0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80 Gy [Gray]) to investigate the effects of radiation on emergence ability, plant height and root length, morphological variations, chromosome aberrations, M-1 (first generation mutants) tuber number and size of minituber plants. Results: Compared with the non-irradiated controls, the whole period of emergence was prolonged by 10-15 days for minitubers treated with gamma-ray radiation, but low doses of radiation (10, 20 and 30 Gy) promoted the emergence percentage of minitubers. With an increase in radiation dose, the emergence percentage, plant height and root length of minituber plants were significantly inhibited at 40 and 50 Gy. No emergence occurred at 60 Gy and higher doses. After radiation, a series of morphological variations and chromosome aberrations appeared in minituber plants. Radiation with 20 Gy promoted tuber formation, and the average number and diameter of M-1 tubers per plant were significantly increased over the control by 71% and 34%, respectively. Conclusion: Low doses of radiation (10-30 Gy) might be used as a valuable parameter to study the improvement of minitubers by gamma-ray radiation treatment.

Unique and unifying themes in the mechanisms regulating the expression of the arabidopsis thaliana PR-1 and Solanum tuberosum PR-10a inducible defense genes

Arabidopsis is a model plant used to study disease resistance; Solanum tuberosum or potato is a crop species. Both plants possess inducible defense mechanisms that are deployed upon recognition of pathogen invasion. Transcriptional reprogramming is crucial to the activation of defense responses. The Pathogenesis-Related (PR) genes are activated in these defense programs. Expression of Arabidopsis PR-l and potato PR-10a serve as markers for the deployment of defense responses in these plants. PR-l expression indicates induction of systemic acquired resistance (SAR). Activation of SAR requires accumulation of salicylic acid (SA), in addition to the interaction of the non-expressor of pathogenesis-related genes I (NPRI), with the TGA transcription factors. The PR-10a is activated in response to pathogen invasion, wounding and elicitor treatment. PR-10a induction requires recruitment of the Whirly I (Whyl) activator to the promoter. This locus is also negatively regulated by the silencer element binding factor (SEBF). We established that both the PR-l and PR-10a are occupied by repressors under non-inducing conditions. TGA2 was found to be a constitutive resident and repressor of PR-l, which mediates repression by forming an oligomeric complex on the promoter. The DNA-binding activity of this oligomer required the TGA2 N-terminus (NT). Under resting conditions we determined that the PR-10a is bound by a repressosome containing SEBF and curiously the activator Pto interacting protein 4 (Pti4). In the context of this repressosome, SEBF is responsible for PR-10a binding, yet rWe also showed that PR-l and PR-10a are activated by different means. In PR-l activation the NPRI NT domain alleviates TGA2-mediated repression by interacting with the TGA2 NT. TGA2 remains at the PR-l but adopts a dimeric conformation and forms an enhanceosome with NPRl. In contrast, the PR-10a is activated by evicting the repressosome and recruiting Why! to the promoter. These results advance our understanding of the mechanisms regulating PR-l and PR-10a expression under resting and inducing conditions. This study also revealed that the means of regulation for related genes can differ greatly between model and crop s

Extraction, purification et caractérisation d’isoformes d’hexokinase du tubercule de pomme de terre (Solanum tuberosum)

L’hexokinase (HK) est la première enzyme du métabolisme des hexoses et catalyse la réaction qui permet aux hexoses d’entrer dans le pool des hexoses phosphates et donc par le fait même la glycolyse. Bien que le glucose soit son principal substrat, cette enzyme peut aussi phosphoryler le mannose et le fructose. Malgré son importance dans le métabolisme primaire, l’HK n’a jamais été purifiée à homogénéité sous forme native. Le but de ce travail était donc de purifier une isoforme d’HK à partir de tubercule de Solanum tuberosum et par la suite de caractériser ses propriétés cinétiques. Bien avant que je commence mon travail, un groupe de recherche avait déjà séparé et partiellement purifié trois isoformes d’HK de S. tuberosum. Un protocole d’extraction était donc disponible, mais l’HK ainsi extraite était peu stable d’où le besoin d’y apporter certaines modifications. En y ajoutant certains inhibiteurs de protéases ainsi qu’en modifiant les concentrations de certains éléments, le tampon d’extraction ainsi modifié a permis d’obtenir un extrait dont l’activité HK était stable pendant au moins 72h après l’extraction, en empêchant la dégradation. À l’aide du tampon d’extraction optimisé et d’une chromatographie sur colonne de butyl sépharose, il a été possible de séparer 4 isoformes d’HKs. Par la suite, une isoforme d’HK (HK1) a été purifiée à l’homogénéité à l’aide de 5 étapes de chromatographie supplémentaires. En plus de caractériser les propriétés cinétiques de cette enzyme, l’analyse de séquençage par MS/MS a permis de l’associer au produit du gène StHK1 de Solanum tuberosum. Avec une activité spécifique de 10.2 U/mg de protéine, il s’agit de l’HK purifiée avec l’activité spécifique la plus élevée jamais rapportée d’un tissu végétal.L’ensemble des informations recueillies lors de la purification de HK1 a ensuite été utilisée pour commencer la purification d’une deuxième isoforme (HK3). Ce travail a permis de donner des lignes directrices pour la purification de cette isoforme et certains résultats préliminaires sur sa caractérisation enzymatique.

Effects of tubers of the Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) and potatoes (Solanum tuberosum) on the intestinal microbiota of pigs and evaluation of a procedure for quantification of microbial mass in pig faeces

Die Mikrobiota im Gastrointestinaltrakt (GIT) spielt eine bedeutende Rolle beim Fermentationsprozess im Bezug auf die Nährstoffversorgung sowie die Gesundheit des Darms und des gesamten Organismus. Inulin und resistente Stärke (RS) konnten als präbiotisch wirksame Substanzen identifiziert werden und sind jeweils auch in den Knollen der Topinamburpflanze (Helianthus tuberosus) und in Kartoffeln (Solanum tuberosum) enthalten. Da sie ebenfalls energiereiche Futtermittel für Schweine sind, war es das Ziel der ersten beiden Studien, die Auswirkungen der Aufnahme von Topinamburknollen und Kartoffeln auf die intestinale Mikrobiota und Parameter des Immunsystems bei Endmastschweinen zu bestimmen. In der dritten Studie wurde die mikrobielle Biomasse quantitativ mit einem Verfahren zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit durch Hochgeschwindigkeits-Zentrifugation erfasst und der bakteriell gebundene Stickstoff (MP-N) mit dem bakteriellen und endogenem Kotstickstoff (BEDN) verglichen. Im ersten Versuch wurden 72 Endmastschweine in einem Freilandhaltungssystem in eine Kontroll- (CT), die mit Kraftfutter entsprechend des Bedarfs der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g täglichem Lebendmassezuwachs versorgt wurde, und eine Versuchsvariante (ET) aufgeteilt. In der Versuchsvariante erhielten die Tiere nur 70% der Kraftfuttermenge der Kontrollvariante, hatten aber Zugang zu einer abgeteilten Fläche, auf der Topinamburknollen angebaut waren. Die freie Aufnahme von Topinamburknollen wurde auf 1•24 kg Trockenmasse (TM)/Tag bestimmt, entsprechend einer Inulinaufnahme von durchschnittlich 800 g/Tag. Während sich die Wachstumsleistung in der Kontrollvariante auf 0•642 ± 0•014 kg/Tag belief, war sie in der Versuchsvariante mit 0•765 ± 0•015 kg/Tag (P=0•000) höher. Die freie Verfügbarkeit von Inulin und Fructo-oligosacchariden (FOS) im GIT der Schweine erhöhte die Keimzahlen der anaeroben Bakterien (P=0•000), Laktobazillen (P=0•046) und Hefen (P=0•000) signifikant und verringerte das Vorkommen von Clostridium perfringens im Schweinekot erheblich von lg 5•24 ± 0•17 kolonie-bildende Einheiten pro g Frischmasse (KbE/ g FM) in der Kontrollvariante auf lg 0•96 ± 0•20 KbE/ g FM in der Versuchsvariante (P=0•000). C-reaktives Protein (CRP) und Antikörper gegen Lipopolysaccharide (LPS) von Escherichia coli J5 ließen keine Unterschiede zwischen den Fütterungsvarianten erkennen. In der zweiten Untersuchung wurden 58 Endmastschweine einer Kontrollvariante (CT), die bedarfsgerecht mit einer Kraftfuttermischung für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen gefüttert wurde, und zwei Versuchsvarianten zugeteilt. Die Versuchsvarianten erhielten eine Menge von 1•2 kg TM gedämpften Kartoffeln (potato treatment, PT) oder gedämpften und einsilierten Kartoffeln (silage treatment, ST) pro Tag und nur 46% bzw. 43% der Menge des Kraftfutters der Kontrollvariante. Die Wachstumsleistung und Schlachtkörperzusammensetzung ließen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennen. Im PT und ST waren gegenüber dem CT im Kot der pH-Wert sowie die Gehalte von TM, Neutral-Detergenz-Faser (NDF), unverdautem Futterstickstoff (UDN) und teilweise von Säure-Detergenz-Faser (ADF) signifikant niedriger (P=0•000) und die von Ammonium (NH4) und Ammoniumstickstoff (NH4-N) signifikant höher (P=0•000). Das hohe Angebot von hitzebehandelten Kartoffeln führte zu einer erheblichen Verringerung von E. coli (P=0•000), C. perfringens (P=0•000) und Immunoglobulin A gegen LPS von E. coli J5 (P=0•001). Darüber hinaus waren in der ersten Versuchsperiode im ST die aeroben und anaeroben Gesamtkeimzahlen sowie die Laktobazillen und Hefen gegenüber dem PT signifikant erhöht. Die Unterschiede in der Mikrobiota zwischen der Kontroll- und Versuchsvarianten weisen auf die positiven Auswirkungen von Topinamburknollen und hitzebehandelten Kartoffeln auf die Mikrobiota im hinteren Darmabschnitt hin. Das Ziel der dritten Untersuchung war die Modifizierung des Verfahrens zur Isolation von Bakterien in einer Flüssigkeit mittels verschiedener Zentrifugationsschritte, um ein mikrobielles Pellet (MP) zu erhalten, welches die quantitative Abtrennung und Erfassung der Bakterien in Schweinekot ermöglicht. Zusätzlich wurde der BEDN Anteil sowie die Gehalte der Aminozucker Galactosamin, Glucosamin, Mannosamin und Muraminsäure im Kot und im MP bestimmt. Die untersuchten Kotproben stammten von Schweinen eines Phosphor (P) Stoffwechselversuch. Zehn männlich-kastrierte Schweine mit einem durchschnittlichen Lebendgewicht von 51•1 ± 8•5 kg wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten. Die Tiere wurden fünf Fütterungsvarianten zugeteilt, die dem Bedarf der Tiere für ein Leistungsniveau von 700 g Tageszunahmen entsprachen, in den Rationen 2 bis 5 jedoch eine P-Gehalt unter dem Tagesbedarf der Tiere aufwiesen und in den Rationen 3 bis 5 mit abgestuften Gehalten von 50, 100 sowie 200 mg/kg einer experimentellen Phytase ergänz waren. Die Absenkung des P Gehaltes im Futter verringerte den Asche- (P=0•024) und Trockenmassegehalt im Kot (P=0•017) sowie die P Konzentration im MP (P=0•000) signifikant. Die mikrobielle Biomasse im Kot wurde durch die Wiegung des MP auf durchschnittlich 467 g/kg TM bestimmt. Der Stickstoffgehalt im Kot betrug im Mittel 46•1 g/kg TM und der in die Bakterienmasse eingebaute Stickstoffanteil 27•1 g/kg TM bzw. 58% vom Gesamtstickstoffgehalt im Kot. Die BEDN Fraktion wurde auf 73% am Kotstickstoff bestimmt. Der P-Gehalt im Kot sowie der N Gehalt im MP mit durchschnittlichen 10•4 und 57•9 g/kg TM lagen im Bereich von Literaturangaben. Die P Gehalte im MP schwankten in Abhängigkeit von der Zugabe von Phytase signifikant (P=0•000) von 1•8 bis 4•8 g/kg TM. Die Aminozucker wiesen keine signifikanten unterschiede zwischen Fütterungsvarianten auf und lagen im Bereich von Werten von Rinderkot. Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angewandte Methode zur direkten Quantifizierung der mikrobiellen Biomasse geeignet ist.