Remote phenology: Applying machine learning to detect phenological patterns in a cerrado savanna

Plant phenology has gained importance in the context of global change research, stimulating the development of new technologies for phenological observation. Digital cameras have been successfully used as multi-channel imaging sensors, providing measures of leaf color change information (RGB channels), or leafing phenological changes in plants. We monitored leaf-changing patterns of a cerrado-savanna vegetation by taken daily digital images. We extract RGB channels from digital images and correlated with phenological changes. Our first goals were: (1) to test if the color change information is able to characterize the phenological pattern of a group of species; and (2) to test if individuals from the same functional group may be automatically identified using digital images. In this paper, we present a machine learning approach to detect phenological patterns in the digital images. Our preliminary results indicate that: (1) extreme hours (morning and afternoon) are the best for identifying plant species; and (2) different plant species present a different behavior with respect to the color change information. Based on those results, we suggest that individuals from the same functional group might be identified using digital images, and introduce a new tool to help phenology experts in the species identification and location on-the-ground. ©2012 IEEE.

Genetic parameter estimates and principal component analysis of breeding values of reproduction and growth traits in female Canchim cattle

Phenotypic data from female Canchim beef cattle were used to obtain estimates of genetic parameters for reproduction and growth traits using a linear animal mixed model. In addition, relationships among animal estimated breeding values (EBVs) for these traits were explored using principal component analysis. The traits studied in female Canchim cattle were age at first calving (AFC), age at second calving (ASC), calving interval (CI), and bodyweight at 420 days of age (BW420). The heritability estimates for AFC, ASC, CI and BW420 were 0.03±0.01, 0.07±0.01, 0.06±0.02, and 0.24±0.02, respectively. The genetic correlations for AFC with ASC, AFC with CI, AFC with BW420, ASC with CI, ASC with BW420, and CI with BW420 were 0.87±0.07, 0.23±0.02, -0.15±0.01, 0.67±0.13, -0.07±0.13, and 0.02±0.14, respectively. Standardised EBVs for AFC, ASC and CI exhibited a high association with the first principal component, whereas the standardised EBV for BW420 was closely associated with the second principal component. The heritability estimates for AFC, ASC and CI suggest that these traits would respond slowly to selection. However, selection response could be enhanced by constructing selection indices based on the principal components. © CSIRO 2013.

Applying machine learning based on multiscale classifiers to detect remote phenology patterns in Cerrado savanna trees

Plant phenology is one of the most reliable indicators of species responses to global climate change, motivating the development of new technologies for phenological monitoring. Digital cameras or near remote systems have been efficiently applied as multi-channel imaging sensors, where leaf color information is extracted from the RGB (Red, Green, and Blue) color channels, and the changes in green levels are used to infer leafing patterns of plant species. In this scenario, texture information is a great ally for image analysis that has been little used in phenology studies. We monitored leaf-changing patterns of Cerrado savanna vegetation by taking daily digital images. We extract RGB channels from the digital images and correlate them with phenological changes. Additionally, we benefit from the inclusion of textural metrics for quantifying spatial heterogeneity. Our first goals are: (1) to test if color change information is able to characterize the phenological pattern of a group of species; (2) to test if the temporal variation in image texture is useful to distinguish plant species; and (3) to test if individuals from the same species may be automatically identified using digital images. In this paper, we present a machine learning approach based on multiscale classifiers to detect phenological patterns in the digital images. Our results indicate that: (1) extreme hours (morning and afternoon) are the best for identifying plant species; (2) different plant species present a different behavior with respect to the color change information; and (3) texture variation along temporal images is promising information for capturing phenological patterns. Based on those results, we suggest that individuals from the same species and functional group might be identified using digital images, and introduce a new tool to help phenology experts in the identification of new individuals from the same species in the image and their location on the ground. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Relative growth, sexual maturity, and breeding season of three species of the genus Persephona (Decapoda: Brachyura: Leucosiidae): A comparative study

The relative growths of Persephona lichtensteinii, P. mediterranea, and P. punctata were investigated on the south-eastern Brazilian coast, focusing on differences in the growth rates between immature and mature phases, the onset of morphological sexual maturity, and the breeding seasons of these species. Crabs were collected every two months from January 1991 through to November 1992, from a shrimp fishing boat equipped with two otter-trawl nets. Significant differences in the patterns of body growth were observed between immature and mature phases of all three species. Changes in the growth rates of the chelipeds (males) and abdomen (females) observed for P. lichtensteinii, P. mediterranea, and P. punctata, seem to be related to the puberty moult for both sexes. Males of P. mediterranea and P. punctata reached larger mean sizes of carapace width than females, whereas no difference was recorded for P. lichtensteinii. The body size at which 50% of males attained sexual maturity was also larger in P. mediterranea and P. punctata, and smaller in P. lichtensteinii. The absence of a pronounced sexual dimorphism and the size at the onset of sexual maturity observed only for P. lichtensteinii might be explained by distinct reproductive strategies of males. The presence of ovigerous females during the entire sampling period suggests that all three species have a continuous reproduction pattern at the Ubatuba region. Future studies on the population structure, functional maturity, and mating system should improve the understanding of factors driving the biology and ecology of these species at a subtropical region. © Marine Biological Association of the United Kingdom 2013.

Involvement of pituitary gonadotropins, gonadal steroids and breeding season in sex change of protogynous dusky grouper, Epinephelus marginatus (Teleostei: Serranidae), induced by a non-steroidal aromatase inhibitor

Two experiments were performed using the aromatase inhibitor (AI) letrozole (100mg/kg) to promote sex change, from female-to-male, in protogynous dusky grouper. One experiment was performed during the breeding season (spring) and the other at the end of the breeding season (summer). During the spring, AI promoted sex change after 9weeks and the sperm produced was able to fertilize grouper oocytes. During the summer, the sex change was incomplete; intersex individuals were present and sperm was not released by any of the animals. Sex changed gonads had a lamellar architecture; cysts of spermatocytes and spermatozoa in the lumen of the germinal compartment. In the spring, after 4weeks, 11ketotestosterone (11KT) levels were higher in the AI than in control fish, and after 9weeks, coincident with semen release, testosterone levels increased in the AI group, while 11KT returned to the initial levels. Estradiol (E2) levels remained unchanged during the experimental period. Instead of decreasing throughout the period, as in control group, 17 α-OH progesterone levels did not change in the AI-treated fish, resulting in higher values after 9weeks when compared with control fish. fshβ and lhβ gene expression in the AI animals were lower compared with control fish after 9weeks. The use of AI was effective to obtain functional males during the breeding season. The increase in androgens, modulated by gonadotropins, triggered the sex change, enabling the development of male germ cells, whereas a decrease in E2 levels was not required to change sex in dusky grouper. © 2013 Elsevier Inc.

Genetic parameters for scrotal circumference, breeding soundness examination and sperm defects in young Nellore bulls

A total of 51,161 records of scrotal circumference measurements at 18 mo of age (SCI 8) and 17,648 records of sperm defects and breeding soundness of Nellore bulls (mean age of 22.5 mo), raised under extensive conditions, were analyzed to estimate coefficients of heritability and genetic correlations of morphological semen traits by Bayesian inference. The observed semen traits were classified as minor (MID). major (MAD), and total sperm defects (TD). The animals were classified according to breeding soundness as satisfactory and unsatisfactory potential breeders. The (co)variance components and breeding values were estimated by Gibbs sampling using the GIBBS2F90 program under an animal model that included contemporary group as fixed effect, age of animal as linear covariate, and direct additive genetic effects as random effects. Heritabilities of 0.40 ± 0.02, 0.16 ± 0.02, 0.04 ± 0.01, 0.15 ± 0.01, and 0.10 ± 0.01 were obtained for SCI8, MID, MAD, TD, and breeding soundness, respectively. The SC18 showed a positive and moderate correlation with breeding soundness (0.56 ± 0.04) and a negative and low correlation with MID (-0.23 ± 0.03), MAD (-0.16 ± 0.02), and TD (-0.24 ± 0.02). In conclusion, scrotal circumference showed the best response to selection among the traits studied and was favorably correlated with breeding soundness and sperm morphology in young Nellore bulls. © 2013 American Society of Animal Science. All rights reserved.

Reproductive phenology and fruit production on a land bridge island in the brazilian atlantic forest

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Strategies to improve the efficiency of genomic selection in animal breeding programs

Pós-graduação em Zootecnia - FCAV

A genomic assisted breeding program for cassava to improve nutritional quality and industrial traits of storage root

A mandioca é cultivada como "mandioca mansa" para consumo in natura e "mandioca para indústria" como fonte de amidos e farinhas. Raças locais foram utilizadas para descoberta de "mutações espontâneas" e desenvolvimento de abordagem evolutiva e de melhoramento para estudos de função gênica. Recursos de Genômica e Proteômica foram obtidos. Análises de expressão gênica por blot de RNA e microarranjos foram desenvolvidos para identificação de expressão diferencial. "Mandioca açucarada" foi identificada, sendo relacionada com falta de expressão do gene da BEI e de uma mutação "nonsence" na sequência do gene GBSSI causando a formação do amido serose. "Mandioca avermelhada" apresentou falta de expressão do gene CasLYB, e a "amarela" uma regulação de repressão do gene CasHYb. Análise Proteômica do complexo carotenóide-proteína, juntamente com a análise de expressão de gene da CAP4, revelaram uma dupla fita de cDNA associada ao elevado acúmulo de carotenóide. Sequenciamento do gene da GBSSI identificou 22 haplótipos e grande diversidade de nucleotídios. Populações segregantes de cruzamentos de fenótipos bioquímicos diferenciados com cultivares elites dos Cerrados foram obtidas.

Polinização de Cacauí (Theobroma speciosum Willd. ex Spreng. - Sterculiaceae): implicações para conservação

O cacauí (Theobroma speciosum) é uma fruteira típica da Região Norte, cujas flores sapromiofílicas atraem dípteros. Os recursos que os insetos utilizam são muito variados e entre eles estão as flores, as quais podem ser utilizadas como alimento e local para reprodução. Este trabalho visou fazer uma comparação do sistema de polinização de T. speciosum em duas áreas de preservação distintas, contribuindo para a avaliação das estratégias de conservação da espécie. O trabalho foi realizado nos anos de 2000 a 2002, no Centro de Pesquisa do Trópico Úmido da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA/CPATU) e na Estação Científica Ferreira Penna (ECFPn/MPEG). Foram realizados estudos sobre estrutura populacional e fenologia de T. speciosum nas duas áreas de preservação, observação comportamental dos insetos no campo, coletas de insetos visitantes das flores de cacauí, análise de carreamento de pólen pelos insetos e verificação dos insetos emergentes no laboratório. As árvores de cacauí, em ambos os locais, florescem em períodos mais secos e frutificam em períodos mais úmidos. As populações de cacauí nas duas áreas diferem pela distribuição espacial e etária dos seus indivíduos. A falta de jovens e subadultos na área de preservação ex situ, mostra falha no "tum over' populacional, demonstrando fragilidade no sistema estabelecido. As inflorescências de T. speciosum são utilizadas por uma grande diversidade de invertebrados. Nove ordens de insetos, e pelo menos duas ordens de outros invertebrados, visitaram as flores de cacau'. As ordens com maior quantidade de indivíduos foram Hymenoptera, Thysanoptera, Diptera e Coleoptera. Os visitantes das flores de cacauí foram classificados como: oportunistas, predadores e polinizadores. Drosofilideos foram indicados como polinizadores de T speciosum, com a possibilidade da participação de alguns forídeos. As guildas dos drosofilídeos foram distintas nas duas áreas de preservação e mais diversa na área de preservação in situ. Quatro espécies foram comuns as duas áreas. A perda de diversidade e alteração na composição na guilda de polinizadores parece não ter afetado a população de T. speciosum na área de preservação ex situ. No caso em estudo o sistema de polinização apesar de profundamente alterado, ainda apresenta sinais de viabilidade.

Ecologia da polinização do buriti (Mauritia flexuosa L. – Arecaceae) na restinga de Barreirinhas, Maranhão, Brasil

O estudo das palmeiras nativas é importante por seu grande valor econômico e na manutenção das comunidades de várias espécies de vertebrados e invertebrados que se alimentam de seus frutos, sementes e folhas. A eficiência na produção dos frutos das palmeiras está diretamente relacionada com a presença de insetos polinizadores, principalmente besouros, abelhas e moscas. A palmeira Mauritia flexuosa, comumente conhecida como buriti, é a espécie mais abundante do Brasil e é também chamada de “árvore da vida”, por ser 100% utilizável. Este trabalho teve como objetivo contribuir para o conhecimento da ecologia da polinização do buriti em ambiente de restinga, no município de Barreirinhas, Maranhão, Brasil. Para tanto, obteve-se dados sobre fenologia reprodutiva, biologia floral, sistema reprodutivo e visitantes florais. Para o acompanhamento fenológico foram selecionados 25 indivíduos de cada sexo, os quais foram observados de agosto/2009 a outubro/2012. As fenofases de floração e frutificação foram relacionadas com as variáveis climáticas através de correlação de Spearman. O processo de abertura e longevidade floral foi acompanhado durante o pico de floração da espécie, verificando-se a viabilidade polínica, a receptividade estigmática, as regiões emissoras de odor e a ocorrência de termogênese. Para determinar o sistema reprodutivo foram feitos testes de polinização cruzada e apomixia. O transporte de grãos de pólen pelo vento foi observado, por meio de lâminas de vidros untadas com vaselina que permaneceram penduradas próximas às inflorescências pistiladas durante 24 horas. Os visitantes florais foram coletados através do ensacamento de 20 inflorescências de cada sexo, sendo classificados de acordo com a frequência e o comportamento. O buriti apresentou padrão fenológico anual, sincrônico e sazonal, com floração de agosto a novembro e pico de queda dos frutos em setembro, o que corresponde à estação seca, diferindo do observado na Amazônia, onde estes eventos fenológicos ocorreram na estação chuvosa. Esta diferença pode ser justificada pela grande disponibilidade de água na região, o que faz com que o buriti não necessariamente dependa das chuvas para florescer. Este fato foi evidenciado pela correlação significativa negativa das fenofases com a precipitação e com a umidade relativa. A forte incidência solar e a disponibilidade de água no ambiente contribuíram para o sucesso na floração e frutificação do buriti. Além disto, fatores bióticos podem ter exercido influência no comportamento fenológico, cuja estratégia reprodutiva adotada parece ser a sincronização da floração e da frutificação com a atividade dos polinizadores e dispersores. Dessa maneira a espécie garante a sua reprodução em um período ótimo para a germinação de sementes e estabelecimento de plântulas. O sistema reprodutivo do buriti é xenogâmico. O conjunto de características florais, aliado à abundância de pólen e ao forte odor leva a crer que essa palmeira tenha como principal estratégia de polinização a cantarofilia, porém o vento também possui grande importância na polinização. Além de apresentar polinização do tipo misto (ambofilia), as flores do buriti atraíram uma grande variedade de visitantes, cuja riqueza foi maior que a observada na Amazônia.

Genomic selection and assisted reproduction technologies to foster cattle breeding

Genomics has been propagated as a paradigm shifting innovation in livestock during the last decade. The possibility of predicting breeding values using genomic information has revolutionized the dairy cattle industry and is now being implemented in beef cattle. In this paper we discuss how genomics is changing cattle breeding through genomic selection, and how this change is creating new ways to articulate assisted reproduction technologies with animal breeding. We also debate that the scientific community is still starting the long journey to reveal the functional aspects of the cattle genome, and that knowledge in this field is the frontier to a whole new venue for the development of novel applications in the livestock sector.

Using phenology to assess urban heat islands in tropical and temperate regions

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Anthropogenic edges, isolation and the flowering time and fruit set of Anadenanthera peregrina, a cerrado savanna tree

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)