DESARROLLO DE APLICACIONES ESTADÍSTICAS PARA LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN. STATISTICAL APPLICATIONS FOR PRECISION AGRICULTURE

A partir de las últimas décadas se ha impulsado el desarrollo y la utilización de los Sistemas de Información Geográficos (SIG) y los Sistemas de Posicionamiento Satelital (GPS) orientados a mejorar la eficiencia productiva de distintos sistemas de cultivos extensivos en términos agronómicos, económicos y ambientales. Estas nuevas tecnologías permiten medir variabilidad espacial de propiedades del sitio como conductividad eléctrica aparente y otros atributos del terreno así como el efecto de las mismas sobre la distribución espacial de los rendimientos. Luego, es posible aplicar el manejo sitio-específico en los lotes para mejorar la eficiencia en el uso de los insumos agroquímicos, la protección del medio ambiente y la sustentabilidad de la vida rural. En la actualidad, existe una oferta amplia de recursos tecnológicos propios de la agricultura de precisión para capturar variación espacial a través de los sitios dentro del terreno. El óptimo uso del gran volumen de datos derivado de maquinarias de agricultura de precisión depende fuertemente de las capacidades para explorar la información relativa a las complejas interacciones que subyacen los resultados productivos. La covariación espacial de las propiedades del sitio y el rendimiento de los cultivos ha sido estudiada a través de modelos geoestadísticos clásicos que se basan en la teoría de variables regionalizadas. Nuevos desarrollos de modelos estadísticos contemporáneos, entre los que se destacan los modelos lineales mixtos, constituyen herramientas prometedoras para el tratamiento de datos correlacionados espacialmente. Más aún, debido a la naturaleza multivariada de las múltiples variables registradas en cada sitio, las técnicas de análisis multivariado podrían aportar valiosa información para la visualización y explotación de datos georreferenciados. La comprensión de las bases agronómicas de las complejas interacciones que se producen a la escala de lotes en producción, es hoy posible con el uso de éstas nuevas tecnologías. Los objetivos del presente proyecto son: (l) desarrollar estrategias metodológicas basadas en la complementación de técnicas de análisis multivariados y geoestadísticas, para la clasificación de sitios intralotes y el estudio de interdependencias entre variables de sitio y rendimiento; (ll) proponer modelos mixtos alternativos, basados en funciones de correlación espacial de los términos de error que permitan explorar patrones de correlación espacial de los rendimientos intralotes y las propiedades del suelo en los sitios delimitados. From the last decades the use and development of Geographical Information Systems (GIS) and Satellite Positioning Systems (GPS) is highly promoted in cropping systems. Such technologies allow measuring spatial variability of site properties including electrical conductivity and others soil features as well as their impact on the spatial variability of yields. Therefore, site-specific management could be applied to improve the efficiency in the use of agrochemicals, the environmental protection, and the sustainability of the rural life. Currently, there is a wide offer of technological resources to capture spatial variation across sites within field. However, the optimum use of data coming from the precision agriculture machineries strongly depends on the capabilities to explore the information about the complex interactions underlying the productive outputs. The covariation between spatial soil properties and yields from georeferenced data has been treated in a graphical manner or with standard geostatistical approaches. New statistical modeling capabilities from the Mixed Linear Model framework are promising to deal with correlated data such those produced by the precision agriculture. Moreover, rescuing the multivariate nature of the multiple data collected at each site, several multivariate statistical approaches could be crucial tools for data analysis with georeferenced data. Understanding the basis of complex interactions at the scale of production field is now within reach the use of these new techniques. Our main objectives are: (1) to develop new statistical strategies, based on the complementarities of geostatistics and multivariate methods, useful to classify sites within field grown with grain crops and analyze the interrelationships of several soil and yield variables, (2) to propose mixed linear models to predict yield according spatial soil variability and to build contour maps to promote a more sustainable agriculture.

Inducción sistémica de la biosintesis de metabolitos secundarios en plantas aromáticas mediada por rizobacterias. Systemic induction of secondary metablolites biosynthesis in aromatic plants by rhizobacteria.

El uso de microorganismos como inoculantes para incrementar la disponibilidad y toma de nutrientes por parte de los cultivos, es una nueva tecnología que ha dado buenos resultados, observándose un incremento en la emergencia, vigor, mayor desarrollo en la parte aérea y de raíces, registrándose aumentos considerables de los rendimientos en cultivos de interés comercial. Esto es debido a que los microorganismos PGPR (Plant Growth promoting rhizobacteria) sintetizan ciertas sustancias reguladoras del crecimiento como giberelinas, citoquininas y auxinas; las cuales estimulan la densidad y longitud de los pelos radicales, aumentando así la cantidad y longitud de las raíces de los vegetales. Así, se incrementa la capacidad de absorción de agua y nutrientes, haciendo que las plantas sean más vigorosas, productivas y tolerantes a condiciones climáticas adversas, como sequías o heladas. Otro factor benéfico es que ciertos microorganismos solubilizan nutrientes poco móviles en el suelo como el caso del fósforo, segundo nutriente, después del nitrógeno en importancia para el crecimiento de los cultivos. Estos microorganismos también tienen una función muy importante en el control natural de agentes patógenos, a través de la inducción del sistema de defensa en las plantas, aumentando su resistencia a enfermedades, a través de la producción de compuestos bacterianos como antibióticos y sideróforos. Los variados mecanismos mediante los cuales la acción PGPR se lleva a cabo no son plenamente conocidos y, por lo tanto, es necesario determinar con precisión su efecto particular en la biología de la planta beneficiada. Las plantas aromáticas y medicinales inoculadas con microorganismos (rizobacterias) registran un incremento en varios parámetros de crecimiento vegetal (peso fresco parte aérea, peso seco de raíz, número de hojas, etc) y en el rendimiento de aceite esencial (AE). El aumento de la síntesis, y la variación de los porcentajes relativos de los componentes principales de AE en plantas aromáticas, como efecto de la inoculación, podría considerarse como una respuesta defensiva de la planta frente a la colonización de microorganismos dado que varios AE poseen propiedades antimicrobianas. El incremento de estos metabolitos también se ha registrado como respuesta frente a la herbivoría. En el presente proyecto se propone dilucidar la existencia de una relación entre las defensas inducidas por rizobacterias con la producción de metabolitos secundarios en plantas aromaticas y medicinales. The use of microorganisms as inoculants to increase the availability and nutrient uptake by crops, is a new technology that has been successfully applied, with an increase in the emergence, vigor, greater development in the shoot and roots, recording significant increases in yields of crop with commercial interest. This is because microorganisms PGPR (Plant Growth Promoting rhizobacteria) synthesize certain growth regulating substances such as gibberellins, cytokinins and auxins, which stimulate the density and length of root hairs, increasing the number and length of roots. Thus, increase the capacity of absorbing water and nutrients, make the plants more vigorous, productive and tolerant to adverse climatic conditions such as drought or frost.Another beneficial factor is that some microorganisms solubilize nutrients mobile in the soil as the case of phosphorus, second nutrient after nitrogen important for plant growth. These organisms also have an important role in the natural control of pathogens through the induction of the plants defense system, increasing their resistance to disease through the production of compounds such as antibiotics and bacterial siderophores. The various mechanisms by which PGPR action takes place are not fully known and therefore it is necessary to accurately determine its particular effect on the biology of the specific plant benefit. Aromatic and medicinal plants inoculated with microorganisms (rhizobacteria) recorded an increase in several parameters of plant growth (shoot fresh weight, root dry weight, leaf number, etc) and essential oil yield (AE). The increase in the biosynthesis, and changes in the relative percentages of the main components of AE in aromatic plants inoculated with rizobacterias, could be regarded as a plant defense response against microbial colonization, since several AE have antimicrobial properties. The increase of these metabolites have also been recorded as a response to herbivory.

Dinámica y cinética de los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs) de relevancia atmosférica. Dynamics and kinetics of the physical and chemical processes of OH radicals with atmospheric relevant volatile organic compounds (VOCs)

El objetivo del presente proyecto es estudiar los procesos físicos y químicos del radical OH con compuestos orgánicos volátiles (COVs), con los cuales sea factible la formación de agregados de van der Waals (vdW) responsables de la curvatura en los gráficos de Arrhenius, empleando técnicas modernas, complementarias entre si y novedosas en el país. El problema será abordado desde tres perspectivas complementarias: 1) estudios cinéticos, 2) estudios mecanísticos y de distribución de productos y 3) estudios de la dinámica de los procesos físicos y químicos. La finalidad es alcanzar una mejor comprensión de los mecanismos que intervienen en el comportamiento químico de especies presentes en la atmósfera y obtener datos cinéticos de alta calidad que puedan alimentar modelos computacionales capaces de describir la composición de la atmósfera, presente y futura. Los objetivos son estudiar: 1) mediante fotólisis láser pulsada con detección por fluorescencia inducida por láser (PLP-LIF), en reactores de flujo, la cinética de reacción del radical OH(v”=0) con COVs que presentan gráficos de Arrhenius curvos con energías de activación negativas, tales como alcoholes insaturados, alquenos halogenados, éteres halogenados, ésteres alifáticos; 2) en una cámara de simulación de condiciones atmosféricas de gran volumen (4500 L), la identidad y el rendimiento de productos de las reacciones mencionadas, a fines de evaluar su impacto atmosférico y dilucidar los mecanismos de reacción; 3) mediante haces moleculares y espectroscopía láser, la estructura y reactividad de complejos de vdW entre alcoholes insaturados o aromáticos (cresoles) y el radical OH, como modelo de los aductos propuestos como responsables de la desviación al comportamiento de Arrhenius de las reacciones mencionadas; 4) mediante PLP-LIF y expansiones supersónicas, las constantes específicas estado a estado (ksts) de relajación/reacción del radical OH(v”=1-4) vibracionalmente excitado con los COVs mencionados. Los resultados experimentales obtenidos serán contrastados con cálculos ab-initio de estructura electrónica, los cuales apoyarán las interpretaciones, permitirán proponer estructuras de estados de transición y aductos colisionales, como así también calcular las frecuencias de vibración de los complejos de vdW para su posterior asignación en los espectros LIF y REMPI. Asimismo, los mecanismos de reacción propuestos y los parámetros cinéticos medidos experimentalmente serán comparados con aquellos obtenidos por cálculos teóricos. The aim of this project is to study the physical and chemical processes of OH radicals with volatile organic compounds (VOCs) with which the formation of van der Waals (vdW) clusters, responsible for the observed curvature in the Arrhenius plots, might be feasible. The problem will be addressed as follow : 1) kinetic studies; 2) products distribution and mechanistic studies and 3) dynamical studies of the physical and chemical processes. The purpose is to obtain a better understanding of the mechanisms that govern the chemical behavior of species present in the atmosphere and to obtain high quality kinetic data to be used as input to computational models. We will study: 1) the reaction kinetics of OH (v”=0) radicals with VOCs such as unsaturated alcohols, halogenated alkenes, halogenated ethers, aliphatic esters, which show curved Arrhenius plots and negative activation energies, by PLP-LIF, in flow systems; 2) in a large volume (4500 L) atmospheric simulation chamber, reaction products yields in order to evaluate their atmospheric impact and reaction mechanisms; 3) using molecular beams and laser spectroscopy, the structure and reactivity of the vdW complexes formed between the unsaturated or aromatic alcohols and the OH radicals as a model of the adducts proposed as responsible for the non-Arrhenius behavior; 4) the specific state-to-state relaxation/reaction rate constants (ksts) of the vibrationally excited OH (v”=1-4) radical with the VOCs by PLP-LIF and supersonic expansions. Ab-initio calculations will be carried out to support the interpretation of the experimental results, to obtain the transition state and collisional adducts structures, as well as to calculate the vibrational frequencies of the vdW complexes to assign to the LIF and REMPI spectra. Also, the proposed reaction mechanisms and the experimentally measured kinetic parameters will be compared with those obtained from theoretical calculations.