Spatio-temporal dynamics of viruses are differentially affected by parasitoids depending on the mode of transmission by their insect vectors.

Relationships between agents in multitrophic systems are complex and very specific. Insect-transmitted plant viruses are completely dependent on the behaviour and distribution patterns of their vectors. The presence of natural enemies may directly affect aphid behaviour and spread of plant viruses, as the escape response of aphids might cause a potential risk for virus dispersal. The spatio-temporal dynamics of Cucumber mosaic virus (CMV) and Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV), transmitted by Aphis gossypii in a non-persistent and persistent manner, respectively, were evaluated at short and long term in the presence and absence of the aphid parasitoid, Aphidius colemani. SADIE methodology was used to study the distribution patterns of both the virus and its vector, and their degree of association. Results suggested that parasitoids promoted aphid dispersion at short term, which enhanced CMV spread, though consequences of parasitism suggest potential benefits for disease control at long term. Furthermore, A. colemani significantly limited the spread and incidence of the persistent virus CABYV at long term. The impact of aphid parasitoids on the dispersal of plant viruses with different transmission modes is discussed.

Space-time Reconstruction of Oceanic Sea States via Variational Stereo Methods

We present a remote sensing observational method for the measurement of the spatio-temporal dynamics of ocean waves. Variational techniques are used to recover a coherent space-time reconstruction of oceanic sea states given stereo video imagery. The stereoscopic reconstruction problem is expressed in a variational optimization framework. There, we design an energy functional whose minimizer is the desired temporal sequence of wave heights. The functional combines photometric observations as well as spatial and temporal regularizers. A nested iterative scheme is devised to numerically solve, via 3-D multigrid methods, the system of partial differential equations resulting from the optimality condition of the energy functional. The output of our method is the coherent, simultaneous estimation of the wave surface height and radiance at multiple snapshots. We demonstrate our algorithm on real data collected off-shore. Statistical and spectral analysis are performed. Comparison with respect to an existing sequential method is analyzed.

Environmental variables modeling based on remote sensing data using time series analysis: forestry and agricultural applications

En la actualidad, el seguimiento de la dinámica de los procesos medio ambientales está considerado como un punto de gran interés en el campo medioambiental. La cobertura espacio temporal de los datos de teledetección proporciona información continua con una alta frecuencia temporal, permitiendo el análisis de la evolución de los ecosistemas desde diferentes escalas espacio-temporales. Aunque el valor de la teledetección ha sido ampliamente probado, en la actualidad solo existe un número reducido de metodologías que permiten su análisis de una forma cuantitativa. En la presente tesis se propone un esquema de trabajo para explotar las series temporales de datos de teledetección, basado en la combinación del análisis estadístico de series de tiempo y la fenometría. El objetivo principal es demostrar el uso de las series temporales de datos de teledetección para analizar la dinámica de variables medio ambientales de una forma cuantitativa. Los objetivos específicos son: (1) evaluar dichas variables medio ambientales y (2) desarrollar modelos empíricos para predecir su comportamiento futuro. Estos objetivos se materializan en cuatro aplicaciones cuyos objetivos específicos son: (1) evaluar y cartografiar estados fenológicos del cultivo del algodón mediante análisis espectral y fenometría, (2) evaluar y modelizar la estacionalidad de incendios forestales en dos regiones bioclimáticas mediante modelos dinámicos, (3) predecir el riesgo de incendios forestales a nivel pixel utilizando modelos dinámicos y (4) evaluar el funcionamiento de la vegetación en base a la autocorrelación temporal y la fenometría. Los resultados de esta tesis muestran la utilidad del ajuste de funciones para modelizar los índices espectrales AS1 y AS2. Los parámetros fenológicos derivados del ajuste de funciones permiten la identificación de distintos estados fenológicos del cultivo del algodón. El análisis espectral ha demostrado, de una forma cuantitativa, la presencia de un ciclo en el índice AS2 y de dos ciclos en el AS1 así como el comportamiento unimodal y bimodal de la estacionalidad de incendios en las regiones mediterránea y templada respectivamente. Modelos autorregresivos han sido utilizados para caracterizar la dinámica de la estacionalidad de incendios y para predecir de una forma muy precisa el riesgo de incendios forestales a nivel pixel. Ha sido demostrada la utilidad de la autocorrelación temporal para definir y caracterizar el funcionamiento de la vegetación a nivel pixel. Finalmente el concepto “Optical Functional Type” ha sido definido, donde se propone que los pixeles deberían ser considerados como unidades temporales y analizados en función de su dinámica temporal. ix SUMMARY A good understanding of land surface processes is considered as a key subject in environmental sciences. The spatial-temporal coverage of remote sensing data provides continuous observations with a high temporal frequency allowing the assessment of ecosystem evolution at different temporal and spatial scales. Although the value of remote sensing time series has been firmly proved, only few time series methods have been developed for analyzing this data in a quantitative and continuous manner. In the present dissertation a working framework to exploit Remote Sensing time series is proposed based on the combination of Time Series Analysis and phenometric approach. The main goal is to demonstrate the use of remote sensing time series to analyze quantitatively environmental variable dynamics. The specific objectives are (1) to assess environmental variables based on remote sensing time series and (2) to develop empirical models to forecast environmental variables. These objectives have been achieved in four applications which specific objectives are (1) assessing and mapping cotton crop phenological stages using spectral and phenometric analyses, (2) assessing and modeling fire seasonality in two different ecoregions by dynamic models, (3) forecasting forest fire risk on a pixel basis by dynamic models, and (4) assessing vegetation functioning based on temporal autocorrelation and phenometric analysis. The results of this dissertation show the usefulness of function fitting procedures to model AS1 and AS2. Phenometrics derived from function fitting procedure makes it possible to identify cotton crop phenological stages. Spectral analysis has demonstrated quantitatively the presence of one cycle in AS2 and two in AS1 and the unimodal and bimodal behaviour of fire seasonality in the Mediterranean and temperate ecoregions respectively. Autoregressive models has been used to characterize the dynamics of fire seasonality in two ecoregions and to forecasts accurately fire risk on a pixel basis. The usefulness of temporal autocorrelation to define and characterized land surface functioning has been demonstrated. And finally the “Optical Functional Types” concept has been proposed, in this approach pixels could be as temporal unities based on its temporal dynamics or functioning.

Coevolución virus-planta: impacto de las infecciones virales en poblaciones silvestres de Chiltepín (capsicum annuum var. Aviculare (dierbach) d’arcy & eshbaugh) en México.

El impacto negativo que tienen los virus en las plantas hace que estos puedan ejercer un papel ecológico como moduladores de la dinámica espacio-temporal de las poblaciones de sus huéspedes. Entender cuáles son los mecanismos genéticos y los factores ambientales que determinan tanto la epidemiología como la estructura genética de las poblaciones de virus puede resultar de gran ayuda para la comprensión del papel ecológico de las infecciones virales. Sin embargo, existen pocos trabajos experimentales que hayan abordado esta cuestión. En esta tesis, se analiza el efecto de la heterogeneidad del paisaje sobre la incidencia de los virus y la estructura genética de sus poblaciones. Asimismo, se explora como dichos factores ambientales influyen en la importancia relativa que los principales mecanismos de generación de variabilidad genética (mutación, recombinación y migración) tienen en la evolución de los virus. Para ello se ha usado como sistema los begomovirus que infectan poblaciones de chiltepín (Capsicum annuum var. aviculare (Dierbach) D´Arcy & Eshbaugh) en México. Se analizó la incidencia de diferentes virus en poblaciones de chiltepín distribuidas a lo largo de seis provincias biogeográficas, representando el área de distribución de la especie en México, y localizadas en hábitats con diferente grado de intervención humana: poblaciones sin intervención humana (silvestres); poblaciones toleradas (lindes y pastizales), y poblaciones manejadas por el hombre (monocultivos y huertos familiares). Entre los virus analizados, los begomovirus mostraron la mayor incidencia, detectándose en todas las poblaciones y años de muestreo. Las únicas dos especies de begomovirus que se encontraron infectando al chiltepín fueron: el virus del mosaico dorado del chile (Pepper golden mosaic virus, PepGMV) y el virus huasteco del amarilleo de venas del chile (Pepper huasteco yellow vein virus, PHYVV). Por ello, todos los análisis realizados en esta tesis se centran en estas dos especies de virus. La incidencia de PepGMV y PHYVV, tanto en infecciones simples como mixtas, aumento cuanto mayor fue el nivel de intervención humana en las poblaciones de chiltepín, lo que a su vez se asoció con una menor biodiversidad y una mayor densidad de plantas. Además, la incidencia de infecciones mixtas, altamente relacionada con la presencia de síntomas, fue también mayor en las poblaciones cultivadas. La incidencia de estos dos virus también varió en función de la población de chiltepín y de la provincia biogeográfica. Por tanto, estos resultados apoyan una de las hipótesis XVI clásicas de la Patología Vegetal según la cual la simplificación de los ecosistemas naturales debida a la intervención humana conduce a un mayor riesgo de enfermedad de las plantas, e ilustran sobre la importancia de la heterogeneidad del paisaje a diferentes escalas en la determinación de patrones epidemiológicos. La heterogeneidad del paisaje no solo afectó a la epidemiología de PepGMV y PHYVV, sino también a la estructura genética de sus poblaciones. En ambos virus, el nivel de diferenciación genética mayor fue la población, probablemente asociado a la capacidad de migración de su vector Bemisia tabaci; y en segundo lugar la provincia biogeográfica, lo que podría estar relacionado con el papel del ser humano como agente dispersor de PepGMV y PHYVV. La estima de las tasas de sustitución nucleotídica de las poblaciones de PepGMV y PHYVV mostró una rápida dinámica evolutiva. Los árboles filogenéticos de ambos virus presentaron una topología en estrella, lo que sugiere una expansión reciente en las poblaciones de chiltepín. La reconstrucción de los patrones de migración de ambos virus indicó que ésta expansión parece haberse producido desde la zona central de México siguiendo un patrón radial, y en los últimos 30 años. Es importante tener en cuenta que el patrón espacial de la diversidad genética de las poblaciones de PepGMV y PHYVV es similar al descrito previamente para el chiltepín lo que podría dar lugar a la congruencia de las genealogías del huésped y la de los virus. Dicha congruencia se encontró cuando se tuvieron en cuenta únicamente las poblaciones de hábitats silvestres y tolerados, lo que probablemente se debe a una codivergencia en el espacio pero no en el tiempo, dado que la evolución de virus y huésped han ocurrido a escalas temporales muy diferentes. Finalmente, el análisis de la frecuencia de recombinación en PepGMV y PHYVV indicó que esta juega un papel importante en la evolución de ambos virus, dependiendo su importancia del nivel de intervención humana de la población de chiltepín. Este factor afectó también a la intensidad de la selección a la que se ven sometidos los genomas de PepGMV y PHYVV. Los resultados de esta tesis ponen de manifiesto la importancia que la reducción de la biodiversidad asociada al nivel de intervención humana de las poblaciones de plantas y la heterogeneidad del paisaje tiene en la emergencia de nuevas enfermedades virales. Por tanto, es necesario considerar estos factores ambientales a la hora de comprender la epidemiologia y la evolución de los virus de plantas.XVII SUMMARY Plant viruses play a key role as modulators of the spatio-temporal dynamics of their host populations, due to their negative impact in plant fitness. Knowledge on the genetic and environmental factors that determine the epidemiology and the genetic structure of virus populations may help to understand the ecological role of viral infections. However, few experimental works have addressed this issue. This thesis analyses the effect of landscape heterogeneity in the prevalence of viruses and the genetic structure of their populations. Also, how these environmental factors influence the relative importance of the main mechanisms for generating genetic variability (mutation, recombination and migration) during virus evolution is explored. To do so, the begomoviruses infecting chiltepin (Capsicum annuum var. aviculare (Dierbach) D'Arcy & Eshbaugh) populations in Mexico were used. Incidence of different viruses in chiltepin populations of six biogeographical provinces representing the species distribution in Mexico was determined. Populations belonged to different habitats according to the level of human management: populations with no human intervention (Wild); populations naturally dispersed and tolerated in managed habitats (let-standing), and human managed populations (cultivated). Among the analyzed viruses, the begomoviruses showed the highest prevalence, being detected in all populations and sampling years. Only two begomovirus species infected chiltepin: Pepper golden mosaic virus, PepGMV and Pepper huasteco yellow vein virus, PHYVV. Therefore, all the analyses presented in this thesis are focused in these two viruses. The prevalence of PepGMV and PHYVV, in single and mixed infections, increased with higher levels of human management of the host population, which was associated with decreased biodiversity and increased plant density. Furthermore, cultivated populations showed higher prevalence of mixed infections and symptomatic plants. The prevalence of the two viruses also varied depending on the chiltepin population and on the biogeographical province. Therefore, these results support a classical hypothesis of Plant Pathology stating that simplification of natural ecosystems due to human management leads to an increased disease risk, and illustrate on the importance of landscape heterogeneity in determining epidemiological patterns. Landscape heterogeneity not only affected the epidemiology of PepGMV and PHYVV, but also the genetic structure of their populations. Both viruses had the highest level of genetic differentiation at the population scale, probably associated with the XVIII migration patterns of its vector Bemisia tabaci, and a second level at the biogeographical province scale, which could be related to the role of humans as dispersal agents of PepGMV and PHYVV. The estimates of nucleotide substitution rates of the virus populations indicated rapid evolutionary dynamics. Accordingly, phylogenetic trees of both viruses showed a star topology, suggesting a recent diversification in the chiltepin populations. Reconstruction of PepGMV and PHYVV migration patterns indicated that they expanded from central Mexico following a radial pattern during the last 30 years. Importantly, the spatial genetic structures of the virus populations were similar to that described previously for the chiltepin, which may result in the congruence of the host and virus genealogies. Such congruence was found only in wild and let-standing populations. This is probably due to a co-divergence in space but not in time, given the different evolutionary time scales of the host and virus populations. Finally, the frequency of recombination detected in the PepGMV and PHYVV populations indicated that this mechanism plays an important role in the evolution of both viruses at the intra-specific scale. The level of human management had a minor effect on the frequency of recombination, but influenced the strength of negative selective pressures in the viral genomes. The results of this thesis highlight the importance of decreased biodiversity in plant populations associated with the level of human management and of landscape heterogeneity on the emergence of new viral diseases. Therefore it is necessary to consider these environmental factors in order to fully understand the epidemiology and evolution of plant viruses.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Diminished UV-absorbing nets reduce the Spreads and population density of Macrosiphum euphorbiae in lettuce.

UV-absorbing covers reduce the incidence of injurious insect pests and viruses in protected crops. In the present study, the effect of a UV-absorbing net (Bionet) on the spatio-temporal dynamics of the potato aphid on lettuce plants was evaluated. A field experiment was conducted during three seasons in two identical tunnels divided in four plots. A set of lettuce plants were artificially infested with Macrosiphum euphorbiae adults and the population was estimated by counting aphids on every plant over 7 to 9 weeks. Insect population grew exponentially but a significantly lower aphid density was present on plants grown under the UV-absorbing cover compared to a standard 50 mesh net. Similarly, in laboratory conditions, life table parameters were significantly reduced under the Bionet. Moreover, SADIE analysis showed that the spatial distribution of aphids was effectively limited under the UV-absorbing nets. Our results indicate that UV-absorbing nets should be considered as an important component of lettuce indoor cropping systems preventing pesticide applications and reducing the risk of spread of aphid-borne virus diseases.

Reconstructing the Timing and Dispersion Routes of HIV-1 Subtype B Epidemics in The Caribbean and Central America: A Phylogenetic Story.

The Caribbean and Central America are among the regions with highest HIV-1B prevalence worldwide. Despite of this high virus burden, little is known about the timing and the migration patterns of HIV-1B in these regions. Migration is one of the major processes shaping the genetic structure of virus populations. Thus, reconstruction of epidemiological network may contribute to understand HIV-1B evolution and reduce virus prevalence. We have investigated the spatio-temporal dynamics of the HIV-1B epidemic in The Caribbean and Central America using 1,610 HIV-1B partial pol sequences from 13 Caribbean and 5 Central American countries. Timing of HIV-1B introduction and virus evolutionary rates, as well as the spatial genetic structure of the HIV-1B populations and the virus migration patterns were inferred. Results revealed that in The Caribbean and Central America most of the HIV-1B variability was generated since the 80 s. At odds with previous data suggesting that Haiti was the origin of the epidemic in The Caribbean, our reconstruction indicated that the virus could have been disseminated from Puerto Rico and Antigua. These two countries connected two distinguishable migration areas corresponding to the (mainly Spanish-colonized) Easter and (mainly British-colonized) Western islands, which indicates that virus migration patterns are determined by geographical barriers and by the movement of human populations among culturally related countries. Similar factors shaped the migration of HIV-1B in Central America. The HIV-1B population was significantly structured according to the country of origin, and the genetic diversity in each country was associated with the virus prevalence in both regions, which suggests that virus populations evolve mainly through genetic drift. Thus, our work contributes to the understanding of HIV-1B evolution and dispersion pattern in the Americas, and its relationship with the geography of the area and the movements of human populations.

Evaluating sustainability and food security of peasant farming systems in Mesoamerican highlands

En las últimas décadas, la agricultura sostenible ha sido objeto de gran interés y debate académico, no sólo en términos conceptuales, sino también en términos metodológicos. La persistencia de la inseguridad alimentaria y el deterioro de los recursos naturales en muchas regiones del mundo, ha provocado el surgimiento de numerosas iniciativas centradas en revitalizar la agricultura campesina así como renovadas discusiones sobre el rol que juega la agricultura como motor de desarrollo y principal actividad para alivio de la pobreza. Por ello, cuando hablamos de evaluar sistemas campesinos de montaña, debemos considerar tanto la dimensión alimentaria como las especificidades propias de los sistemas montañosos como base fundamental de la sostenibilidad. Al evaluar la contribución que han hecho alternativas tecnológicas y de manejo en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de los sistemas campesinos de montaña en Mesoamérica, surgen tres preguntas de investigación: • ¿Se está evaluando la sostenibilidad de los sistemas campesinos teniendo en cuenta la variabilidad climática, la participación de los agricultores y las dinámicas temporales? • ¿Podemos rescatar tendencias comunes en estos sistemas y extrapolar los resultados a otras zonas? • ¿Son inequívocamente positivas las alternativas propuestas que se han llevado a cabo? En este trabajo se presentan tres evaluaciones de sostenibilidad que tratan de poner de manifiesto cuáles son los retos y oportunidades que enfrentan actualmente los sistemas campesinos de montaña. En primer lugar, se evalúan tres sistemas de manejo agrícola bajo dos años meteorológicamente contrastantes. Se determinó que durante el año que experimentó lluvias abundantes y temperaturas moderadas, los sistemas de bajos insumos, basados en el uso de abonos orgánicos y rotación de cultivos, obtuvieron los mejores resultados en indicadores ecológicos y similares resultados en los económicos y sociales que el sistema de altos insumos químicos. En el segundo año, con heladas tempranas y sequía invernal, la productividad se redujo para todos los sistemas pero los sistemas más diversificados (en variedades de maíz y/o siembra de otros cultivos) pudieron resistir mejor los contratiempos climáticos. En segundo lugar, se evalúa el grado de conocimiento (percepción) campesino para determinar los factores claves que determinan la sostenibilidad de sus sistemas y su seguridad alimentaria. Se determinó que los principales puntos críticos identificados por los campesinos (tamaño de parcela y pendiente del terreno) afectan de forma significativa a cuestiones de índole económica, pero no son capaces de explicar los desequilibrios alimenticios existentes. Realizando un análisis comparativo entre comunidades que presentaban buenos y malos resultados en cuanto a aporte energético y proteico, se determinó que la seguridad alimentaria estaba relacionada con la sostenibilidad de los sistemas y que concretamente estaba ligada a los atributos de equidad y autonomía. Otro resultado destacable fue que las comunidades más marginales y con mayor dificultad de acceso mostraron mayores niveles de inseguridad alimentaria, pero la variabilidad intergrupal fue muy alta. Eso demuestra que la seguridad alimentaria y nutricional forma parte de un complejo sistema de estrategias de autoabastecimiento ligada a la idiosincrasia misma de cada uno de los hogares. En tercer lugar, se evaluó el desempeño de las escuelas de campo de agricultores (ECAs) en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de un sistema campesino de montaña. Para ver el efecto del impacto de estas metodologías a largo plazo, se estudiaron tres comunidades donde se habían implementado ECAs hace 8, 5 y 3 años. Encontramos que el impacto fue progresivo ya que fue la comunidad más antigua la que mejores valores obtuvo. El impacto de las ECAs fue rápido y persistente en los indicadores relacionados con la participación, el acceso a servicios básicos y la conservación de los recursos naturales. El estudio demostró un claro potencial de las ECAs en la mejora general de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de estos sistemas, sin embargo se observó una relación directa entre el aumento de producción agrícola y el uso de insumos externos, lo que puede suponer un punto crítico para los ideales sostenibles. ABSTRACT During the last decades, sustainable agriculture has been the subject of considerable academic interest and debate, not only in conceptual terms, but also in methodological ones. The persistence of high levels of environmental degradation and food insecurity in many regions has led to new initiatives focused on revitalizing peasant agriculture and renewed discussions of the role of sustainable agriculture as an engine for development, environmental conservation and poverty alleviation. Therefore, to assess mountain farming systems, we must consider food dimension and taking into account the specificities of the mountain systems as the foundation of sustainability. When evaluating contribution of technological and management alternative proposals in achieving sustainability and food security for peasant farming systems in Mesoamerican highlands, three research questions arise: • Is sustainability of peasant-farming systems being evaluated taking into account climate variability, participation of farmers and temporal dynamics? • Can we rescue common trends in these systems and extrapolate the results to other areas? • What alternative proposals that have been conducted are unequivocally positives? In this document, we present three evaluations of sustainability that try to highlight the challenges and opportunities that currently face mountain farming systems in Mesoamerica. First, we evaluate the sustainability of three agricultural management systems in two contrasting weather years. We determined that during the first year that exposed heavy rains and moderate temperatures, low-input systems, which are based on the use of organic fertilizers and crop rotation, provided better results in terms of ecological indicators and equal results in terms of economic and social indicators than those achieved using a high chemical input system. In the second year, which featured early frosts and a winter drought, productivity declined in all systems; however, the most diversified systems (in terms of the maize varieties grown and the sowing of other crops) more successfully resisted these climatic adversities. Second, we evaluate the farmers’ perception to determine the key drivers for achieving their sustainability and food and nutritional security. We determined that the key factors identified by farmers (landholding size and slope of cropland) exerted significant impacts on economic disparities but did not explain the malnutrition levels. We compared two contrasting hamlets according to their energy and protein supply, one namely Limón Timoté (LT), which did not present food problems and Limón Peña Blanca (LP), which did exhibit food insecurity. The results showed that FNS is linked to sustainability, and it is primarily related to the sustainability attributes of self-reliance and equity. Although the more marginated and inaccessible community exhibited more food insecurity, food and nutritional security depend upon a complex array of self-sufficiency strategies that remain linked to individual household idiosyncrasies. Third, we evaluated the impact of farmer field schools for improving the sustainability and food security of peasant mountain systems. In order to appreciate the long-term impact, we studied three communities where FFSs were implemented eight, five and three years ago, respectively. We found that FFSs have a gradual impact, as the community that first implemented FFSs scores highest. The impact of FFSs was broad and long-lasting for indicators related to participation, access to basic services and conservation of natural resources. This study demonstrates the potential of FFSs, but more attention will have to be paid to critical indicators in order to scale up their potential in the future. We observed a direct relationship between the increase in agricultural production and the use of external inputs, which is a critical point for sustainable ideals.

Dynamics of brain networks in aesthetic appreciation

Neuroimage experiments have been essential for identifying active brain networks. During cognitive tasks as in, e.g., aesthetic appreciation, such networks include regions that belong to the default mode network (DMN). Theoretically, DMN activity should be interrupted during cognitive tasks demanding attention, as is the case for aesthetic appreciation. Analyzing the functional connectivity dynamics along three temporal windows and two conditions, beautiful and not beautiful stimuli, here we report experimental support for the hypothesis that aesthetic appreciation relies on the activation of two different networks, an initial aesthetic network and a delayed aesthetic network, engaged within distinct time frames. Activation of the DMN might correspond mainly to the delayed aesthetic network. We discuss adaptive and evolutionary explanations for the relationships existing between the DMN and aesthetic networks and offer unique inputs to debates on the mind/brain interaction.

Análisis espacio-temporal del gradiente urbano-rural del sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Caracterización de los procesos y patrones paisajísticos acaecidos en el período 1990-2006

El objetivo de esta tesis es proponer una metodología capaz de cuantificar la dinámica paisajística a lo largo del gradiente urbano – rural perteneciente al sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Esta tesis se estructura en ocho capítulos, planos y anejos. El primero se refiere a los antecedentes tanto conceptuales como metodológicos. Los primeros se centran en los diversos enfoques existentes en relación al estudio de la dinámica paisajística, con el objetivo de encontrar los puntos en común existentes entre el enfoque del metabolismo social, el de la ecología del paisaje y el humanista, para obtener un diagnóstico que permita entender la complejidad de la realidad a la que esta Tesis se enfrenta. Los segundos se centran en los antecedentes de carácter metodológico que también desde diversos enfoques han abordado el análisis de la dinámica paisajística. El segundo capítulo se centra en los objetivos concretos derivados del objetivo general ya expresado, la tesis considera que para comprender y cuantificar la dinámica hay que identificar en primer lugar los procesos de transformación, como manifestación espacial de los factores socioeconómicos y naturales responsables en última instancia de la variación de los patrones paisajísticos existentes. En segundo lugar se identifican los patrones paisajísticos con el objetivo de analizar sus características espaciales y su evolución en el período analizado. Por último se identifican los procesos paisajísticos, es decir qué tipos de variaciones espaciales se producen en los patrones paisajísticos como consecuencia de los procesos de transformación identificados así como su pauta de distribución a lo largo del gradiente urbano ‐ rural. El tercer capítulo se dedica a la caracterización del ámbito de estudio, ésta se extiende al sur del límite del suelo urbano de la capital madrileña en el año 1990, comprende la totalidad de los municipios madrileños que contactan con los municipios castellano – manchegos que se encuentran en el área de influencia de la capital, abarcando el área 9.968 km2. El cuarto capítulo se centra en la metodología. Como material de partida se ha utilizado en la cartografía del Corine Land Cover y como herramienta de análisis se ha utilizado los Sistemas de Información Geográfica. En primer lugar se identifican los procesos de transformación, acaecidos en los períodos 1990 – 2000 y 2000 – 2006, mediante la aplicación de matrices de transición. Se han identificado cuatro tipos de procesos dinámicos: Urbanización, abandono, renaturalización y agrarización. Se ha realizado un análisis de indicadores compuestos lo que ha permitido identificar los tipos de patrones paisajísticos existentes a lo largo del gradiente urbano – rural. Del mismo modo se ha calculado la variación de los indicadores individuales para identificar los procesos paisajísticos mediante el análisis de indicadores compuestos que se produjeron en el período 1990 – 2000 y 2000 – 2006. En el quinto capítulo se aportan los resultados tanto de carácter cuantitativo como gráfico de los tres componentes analizados tanto de forma independiente como integrada. En el sexto capítulo se describen las conclusiones producto de la investigación realizada. En el séptimo capítulo se identifican qué líneas de investigación podrían desarrollarse en el futuro para continuar la línea de investigación iniciada con esta tesis. ABSTRACT The aim of this thesis was to propose a methodology to characterize landscape dynamics along the urban – rural gradient in the south Madrid area. It´s structured in eight chapters, planes and annexes: the first one describes previous research. Firstly to make a diagnosis of the effects of landscape dynamic we have performed an integrated analysis from social metabolism, landscape ecology and the humanistic point of view. Secondly we have focused on previous methodological research mainly developped by landscape ecology. The second chapter focuses on specific objectives derived from the general objective. The thesis considers that to understand and quantify landscape dynamics must first identify the transformation processes: spatial manifestation of natural and socioeconomics factors that induce the change of landscape patterns. Secondly landscape patterns have been identified in order to analyze their spatial characteristics and evolution. Finally the landscape processes have been identified, i.e. what kind of spatial variations cause changes in landscape patterns along urban – rural gradient. The third chapter describes the study area. The study area occupies 9968 km2. It covers the area to the south of Madrid’s 1990 urban land area, and takes in the southeast of the Madrid Autonomous Region plus all the municipal areas of the Castilla–La Mancha Autonomous Region directly influenced by the expansion of Madrid. The fourth chapter contains the methodology. To identify the changes in the landscape of the study area, the land cover data for the area held in the CORINE LandCover Project Database was examined. To characterize the transformations processes in the period 1990 ‐ 2000 and 2000 – 2006, transition matrices were constructed. We have identified four clear changes: Urbanization, renaturalization, abandonment and agrarianization. We have characterized landscape patterns using composite indicators by integrating individual spatial metrics. Similarly we have characterized landscape processes using composite indicators by integrating the variation of individual spatial metrics. Chapter fifth includes the results, both for each component and its final integration. The conclusions of this research have been described in the sixth chapter. The seventh chapter describes what kind of investigations could be done in the future.

Análisis espacio-temporal del gradiente urbano-rural del sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Caracterización de los procesos y patrones paisajísticos acaecidos en el período 1990-2006 (versión revisada y corregida)

El objetivo de esta tesis es proponer una metodología capaz de cuantificar la dinámica paisajística a lo largo del gradiente urbano – rural perteneciente al sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Esta tesis se estructura en ocho capítulos, planos y anejos. El primero se refiere a los antecedentes tanto conceptuales como metodológicos. Los primeros se centran en los diversos enfoques existentes en relación al estudio de la dinámica paisajística, con el objetivo de encontrar los puntos en común existentes entre el enfoque del metabolismo social, el de la ecología del paisaje y el humanista, para obtener un diagnóstico que permita entender la complejidad de la realidad a la que esta Tesis se enfrenta. Los segundos se centran en los antecedentes de carácter metodológico que también desde diversos enfoques han abordado el análisis de la dinámica paisajística. El segundo capítulo se centra en los objetivos concretos derivados del objetivo general ya expresado, la tesis considera que para comprender y cuantificar la dinámica hay que identificar en primer lugar los procesos de transformación, como manifestación espacial de los factores socioeconómicos y naturales responsables en última instancia de la variación de los patrones paisajísticos existentes. En segundo lugar se identifican los patrones paisajísticos con el objetivo de analizar sus características espaciales y su evolución en el período analizado. Por último se identifican los procesos paisajísticos, es decir qué tipos de variaciones espaciales se producen en los patrones paisajísticos como consecuencia de los procesos de transformación identificados así como su pauta de distribución a lo largo del gradiente urbano ‐ rural. El tercer capítulo se dedica a la caracterización del ámbito de estudio, ésta se extiende al sur del límite del suelo urbano de la capital madrileña en el año 1990, comprende la totalidad de los municipios madrileños que contactan con los municipios castellano – manchegos que se encuentran en el área de influencia de la capital, abarcando el área 9.968 km2. El cuarto capítulo se centra en la metodología. Como material de partida se ha utilizado en la cartografía del Corine Land Cover y como herramienta de análisis se ha utilizado los Sistemas de Información Geográfica. En primer lugar se identifican los procesos de transformación, acaecidos en los períodos 1990 – 2000 y 2000 – 2006, mediante la aplicación de matrices de transición. Se han identificado cuatro tipos de procesos dinámicos: Urbanización, abandono, renaturalización y agrarización. Se ha realizado un análisis de indicadores compuestos lo que ha permitido identificar los tipos de patrones paisajísticos existentes a lo largo del gradiente urbano – rural. Del mismo modo se ha calculado la variación de los indicadores individuales para identificar los procesos paisajísticos mediante el análisis de indicadores compuestos que se produjeron en el período 1990 – 2000 y 2000 – 2006. En el quinto capítulo se aportan los resultados tanto de carácter cuantitativo como gráfico de los tres componentes analizados tanto de forma independiente como integrada. En el sexto capítulo se describen las conclusiones producto de la investigación realizada. En el séptimo capítulo se identifican qué líneas de investigación podrían desarrollarse en el futuro para continuar la línea de investigación iniciada con esta tesis. ABSTRACT The aim of this thesis was to propose a methodology to characterize landscape dynamics along the urban – rural gradient in the south Madrid area. It´s structured in eight chapters, planes and annexes: the first one describes previous research. Firstly to make a diagnosis of the effects of landscape dynamic we have performed an integrated analysis from social metabolism, landscape ecology and the humanistic point of view. Secondly we have focused on previous methodological research mainly developped by landscape ecology. The second chapter focuses on specific objectives derived from the general objective. The thesis considers that to understand and quantify landscape dynamics must first identify the transformation processes: spatial manifestation of natural and socioeconomics factors that induce the change of landscape patterns. Secondly landscape patterns have been identified in order to analyze their spatial characteristics and evolution. Finally the landscape processes have been identified, i.e. what kind of spatial variations cause changes in landscape patterns along urban – rural gradient. The third chapter describes the study area. The study area occupies 9968 km2. It covers the area to the south of Madrid’s 1990 urban land area, and takes in the southeast of the Madrid Autonomous Region plus all the municipal areas of the Castilla–La Mancha Autonomous Region directly influenced by the expansion of Madrid. The fourth chapter contains the methodology. To identify the changes in the landscape of the study area, the land cover data for the area held in the CORINE LandCover Project Database was examined. To characterize the transformations processes in the period 1990 ‐ 2000 and 2000 – 2006, transition matrices were constructed. We have identified four clear changes: Urbanization, renaturalization, abandonment and agrarianization. We have characterized landscape patterns using composite indicators by integrating individual spatial metrics. Similarly we have characterized landscape processes using composite indicators by integrating the variation of individual spatial metrics. Chapter fifth includes the results, both for each component and its final integration. The conclusions of this research have been described in the sixth chapter. The seventh chapter describes what kind of investigations could be done in the future.

Mapping Dynamics into Graphs. The Visibility Algorithm

Si no tenemos en cuenta posibles procesos subyacentes con significado físico, químico, económico, etc., podemos considerar una serie temporal como un mero conjunto ordenado de valores y jugar con él algún inocente juego matemático como transformar dicho conjunto en otro objeto con la ayuda de una operación matemática para ver qué sucede: qué propiedades del conjunto original se conservan, cuáles se transforman y cómo, qué podemos decir de alguna de las dos representaciones matemáticas del objeto con sólo atender a la otra... Este ejercicio sería de cierto interés matemático por sí solo. Ocurre, además, que las series temporales son un método universal de extraer información de sistemas dinámicos en cualquier campo de la ciencia. Esto hace ganar un inesperado interés práctico al juego matemático anteriormente descrito, ya que abre la posibilidad de analizar las series temporales (vistas ahora como evolución temporal de procesos dinámicos) desde una nueva perspectiva. Hemos para esto de asumir la hipótesis de que la información codificada en la serie original se conserva de algún modo en la transformación (al menos una parte de ella). El interés resulta completo cuando la nueva representación del objeto pertencece a un campo de la matemáticas relativamente maduro, en el cual la información codificada en dicha representación puede ser descodificada y procesada de manera efectiva. ABSTRACT Disregarding any underlying process (and therefore any physical, chemical, economical or whichever meaning of its mere numeric values), we can consider a time series just as an ordered set of values and play the naive mathematical game of turning this set into a different mathematical object with the aids of an abstract mapping, and see what happens: which properties of the original set are conserved, which are transformed and how, what can we say about one of the mathematical representations just by looking at the other... This exercise is of mathematical interest by itself. In addition, it turns out that time series or signals is a universal method of extracting information from dynamical systems in any field of science. Therefore, the preceding mathematical game gains some unexpected practical interest as it opens the possibility of analyzing a time series (i.e. the outcome of a dynamical process) from an alternative angle. Of course, the information stored in the original time series should be somehow conserved in the mapping. The motivation is completed when the new representation belongs to a relatively mature mathematical field, where information encoded in such a representation can be effectively disentangled and processed. This is, in a nutshell, a first motivation to map time series into networks.

Plasma dynamics studies by mass spectrometry techniques

We present temporal information obtained by mass spectrometry techniques about the evolution of plasmas generated by laser filamentation in air. The experimental setup used in this work allowed us to study not only the dynamics of the filament core but also of the energy reservoir that surrounds it. Furthermore, valuable insights about the chemistry of such systems like the photofragmentation and/or formation of molecules were obtained. The interpretation of the experimental results are supported by PIC simulations.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.