Prediction of 3D structure and ligand-binding properties : ABC transporters and flavodiiron proteins from Synechocystis sp. strain PCC 6803

Cyanobacteria are unicellular, non-nitrogen-fixing prokaryotes, which perform photosynthesis similarly as higher plants. The cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 is used as a model organism in photosynthesis research. My research described herein aims at understanding the function of the photosynthetic machinery and how it responds to changes in the environment. Detailed knowledge of the regulation of photosynthesis in cyanobacteria can be utilized for biotechnological purposes, for example in the harnessing of solar energy for biofuel production. In photosynthesis, iron participates in electron transfer. Here, we focused on iron transport in Synechocystis sp. strain PCC 6803 and particularly on the environmental regulation of the genes encoding the FutA2BC ferric iron transporter, which belongs to the ABC transporter family. A homology model built for the ATP-binding subunit FutC indicates that it has a functional ATPbinding site as well as conserved interactions with the channel-forming subunit FutB in the transporter complex. Polyamines are important for the cell proliferation, differentiation and apoptosis in prokaryotic and eukaryotic cells. In plants, polyamines have special roles in stress response and in plant survival. The polyamine metabolism in cyanobacteria in response to environmental stress is of interest in research on stress tolerance of higher plants. In this thesis, the potd gene encoding an polyamine transporter subunit from Synechocystis sp. strain PCC 6803 was characterized for the first time. A homology model built for PotD protein indicated that it has capability of binding polyamines, with the preference for spermidine. Furthermore, in order to investigate the structural features of the substrate specificity, polyamines were docked into the binding site. Spermidine was positioned very similarly in Synechocystis PotD as in the template structure and had most favorable interactions of the docked polyamines. Based on the homology model, experimental work was conducted, which confirmed the binding preference. Flavodiiron proteins (Flv) are enzymes, which protect the cell against toxicity of oxygen and/or nitric oxide by reduction. In this thesis, we present a novel type of photoprotection mechanism in cyanobacteria by the heterodimer of Flv2/Flv4. The constructed homology model of Flv2/Flv4 suggests a functional heterodimer capable of rapid electron transfer. The unknown protein sll0218, encoded by the flv2-flv4 operon, is assumed to facilitate the interaction of the Flv2/Flv4 heterodimer and energy transfer between the phycobilisome and PSII. Flv2/Flv4 provides an alternative electron transfer pathway and functions as an electron sink in PSII electron transfer.

Be-Fe coupled method for the analysis of 3D elastodynamic problems in the time domain

By coupling the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM) an algorithm that combines the advantages of both numerical processes is developed. The main aim of the work concerns the time domain analysis of general three-dimensional wave propagation problems in elastic media. In addition, mathematical and numerical aspects of the related BE-, FE- and BE/FE-formulations are discussed. The coupling algorithm allows investigations of elastodynamic problems with a BE- and a FE-subdomain. In order to observe the performance of the coupling algorithm two problems are solved and their results compared to other numerical solutions.

Application of a non isotropic turbulence model to stable atmospheric flows and dispersion over 3D topography

A non isotropic turbulence model is extended and applied to three dimensional stably stratified flows and dispersion calculations. The model is derived from the algebraic stress model (including wall proximity effects), but it retains the simplicity of the "eddy viscosity" concept of first order models. The "modified k-epsilon" is implemented in a three dimensional numerical code. Once the flow is resolved, the predicted velocity and turbulence fields are interpolated into a second grid and used to solve the concentration equation. To evaluate the model, various steady state numerical solutions are compared with small scale dispersion experiments which were conducted at the wind tunnel of Mitsubishi Heavy Industries, in Japan. Stably stratified flows and plume dispersion over three distinct idealized complex topographies (flat and hilly terrain) are studied. Vertical profiles of velocity and pollutant concentration are shown and discussed. Also, comparisons are made against the results obtained with the standard k-epsilon model.

The Shadow Moiré method using the phase shifting technique and digital image processing: computational implementation and application to the 3D-reconstruction of a buckled plate

The Shadow Moiré fringe patterns are level lines of equal depth generated by interference between a master grid and its shadow projected on the surface. In simplistic approach, the minimum error is about the order of the master grid pitch, that is, always larger than 0,1 mm, resulting in an experimental technique of low precision. The use of a phase shift increases the accuracy of the Shadow Moiré technique. The current work uses the phase shifting method to determine the surfaces three-dimensional shape using isothamic fringe patterns and digital image processing. The current study presents the method and applies it to images obtained by simulation for error evaluation, as well as to a buckled plate, obtaining excellent results. The method hands itself particularly useful to decrease the errors in the interpretation of the Moiré fringes that can adversely affect the calculations of displacements in pieces containing many concave and convex regions in relatively small areas.

Performance evaluation of 3D computer vision techniques

This work presents the implementation and comparison of three different techniques of three-dimensional computer vision as follows: • Stereo vision - correlation between two 2D images • Sensorial fusion - use of different sensors: camera 2D + ultrasound sensor (1D); • Structured light The computer vision techniques herein presented took into consideration the following characteristics: • Computational effort ( elapsed time for obtain the 3D information); • Influence of environmental conditions (noise due to a non uniform lighting, overlighting and shades); • The cost of the infrastructure for each technique; • Analysis of uncertainties, precision and accuracy. The option of using the Matlab software, version 5.1, for algorithm implementation of the three techniques was due to the simplicity of their commands, programming and debugging. Besides, this software is well known and used by the academic community, allowing the results of this work to be obtained and verified. Examples of three-dimensional vision applied to robotic assembling tasks ("pick-and-place") are presented.

Efeitos da interação de ácido ferúlico e glifosate em soja

Um experimento foi conduzido com soja [Glycine max (L.) Merr.] cv. Ramson, em condições de casa-de-vegetação, com o objetivo de obter resposta de crescimento ao herbicida glifosate [N-(fosfonometil) glicina] (GLI), com atividades hormonais, em interação com ácido ferúlico (ácido 4-hidróxi-3-metóxi-t-cinâmico) (AF), substância alelopática encontrada na resteva de trigo em situações de semeadura direta, que pudessem favorecer sua competição com as espécies daninhas. Glifosate foi usado nas doses de 0,0, 0,75, 1,5, 2,25 e 3,0 kg/ha e ácido ferúlico nas doses de 0,75, 150, 225 e 300 ppm. O delineamento experimental foi de blocos ao acaso em um arranjo fatorial 5x5 dos tratamentos, com quatro repetições. Vasos de papel encerado continham 1,0 kg de terra na proporção de 3:2 (argila/areia), com duas plantas/vasos. A duração do experimento foi de 22 dias. Aplicações de AF e GLI causaram estiolamento da parte aérea das plantas de soja e redução da biomassa das raízes. Foram observados aumentos de biomassa a parte aérea da soja por AF e reduções por CLI.

Potencial alelopático de 2-benzoxazolinona (boa) e sua interação com atrazine no crescimento de plantas

Dois experimentos de laboratório foram conduzidos na Universidade de South Dakota, Vemillion, SD, EUA, em 1990, para determinar os efeitos do ácido hidroxâmico benzoxazolinona (BOA), do herbicida atrazine e de suas misturas sobre o crescimento e teor de clorofila de lentilha dágua (Lemna minor). BOA na concentração de 0,5 mM foi aplicado em combinação com atrazine a 0,001 e 0,005 mM em caixas plásticas com 24 células de 2,5 ml, contendo 3 frondes de lentilha dágua em solução nutritiva. BOA e atrazine, aplicados isoladamente, inibiram o número, o peso sêco e o teor de clorofila. Atrazine apresentou uma maior ação inibitória que BOA. A combinação BOA (0,05 mM) e atrazine à 0,001 mM foi antagonística. A inibição induzida pelo atrazine a 0,001 mM foi, em parte, neutralizada, porém, com a dose 0,005 mM a sua ação inibitória não foi alterada.

Interação de glyphosate com carfentrazone-ethyl

Foi conduzido um experimento em condições controladas para determinar a interação do carfentrazone-ethyl em mistura no tanque com o herbicida glyphosate, no controle de seis espécies de plantas daninhas. Glyphosate aplicado isoladamente na dose de 720 g ha-1 foi eficaz no controle de Amaranthus hybridus (100%), Desmodium tortuosum (100%), Bidens pilosa (99%), Eleusine indica (96%), Digitaria horizontalis (100%) e Commelina benghalensis (93%) aos 21 DAA. Carfentrazone-ethyl aplicado isoladamente controlou eficazmente C. benghalensis. As misturas de glyphosate nas doses de 252 e 720 g ha-1 com carfentrazone-ethyl nas doses de 15 e 30 g ha¹ demonstraram efeito aditivo no controle de A. hybridus, D. tortuosum e Bidens pilosa, à exceção das misturas de glyphosate na dose de 252 g ha-1 com as doses de 15 e 30 g ha-1 de carfentrazone-ethyl, que proporcionam efeito sinergístico no controle de D. tortuosum. A adição das duas doses de carfentrazone-ethyl antagonizou o efeito de glyphosate na menor dose (252 g ha-1) no controle de E. indica, apresentando, no entanto, efeito aditivo com o glyphosate na maior dose (720 g ha-1). Já para D. horizontalis, as misturas de carfentrazone-ethyl com glyphosate na menor dose (252 g ha-1) apresentaram efeito sinergístico no controle dessa espécie, demonstrando, ainda, efeito aditivo na mistura com glyphosate na dose de 720 g ha-1. A mistura de carfentrazone-ethyl com glyphosate proporcionou efeito aditivo no controle de C. benghalensis, independentemente das combinações de doses avaliadas. Os resultados deste experimento indicam que carfentrazone-ethyl apresenta comportamento diferenciado quanto à interação com glyphosate, dependendo da espécie de planta daninha e da dose dos herbicidas utilizados na mistura em tanque, sendo complementar na mistura em tanque com glyphosate, pois demonstrou efeito antagônico em poucas das combinações estudadas, prevalecendo seu efeito aditivo na mistura com glyphosate, no controle das espécies avaliadas.

Interação competitiva de Brachiaria brizantha e B. plantaginea sob doses reduzidas de fluazifop-p-butil, aplicadas em diferentes épocas

Objetivou-se neste trabalho avaliar a interação competitiva de Brachiaria brizantha e B. plantaginea sob doses reduzidas de fluazifop-p-butil, aplicadas em diferentes épocas. O delineamento experimental adotado foi o de blocos casualizados, com quatro repetições, seguindo o arranjo fatorial 6x3, com seis doses de fluazifop-p-butil (7,5; 12,5; 18,75; 31,25; 43,75 e 62,5 g ha-1), aplicadas em três épocas (14, 24 e 34 dias após a emergência das plantas - DAE), mais uma testemunha sem herbicida. A maior dose utilizada correspondeu a 33% da dose recomendada para a cultura da soja (187,5 g ha-1). A avaliação dos tratamentos foi realizada aos 53 DAE das espécies. As plantas foram desmembradas em folhas e colmos, determinando-se a biomassa seca das partes. Foram também avaliados a área foliar, o número e o comprimento dos colmos. B. plantaginea foi mais suscetível ao fluazifop-p-butil do que B. brizantha. A dose de 25 g ha-1 do herbicida, aplicada aos 14 DAE, permitiu máximo acúmulo de biomassa seca de B. brizantha e controlou satisfatoriamente B. plantaginea. Aplicando-se nessa mesma época a dose de 62,5 g ha-1 de fluazifop-p-butil, as duas espécies foram controladas. Quanto ao efeito de épocas de aplicação, quando utilizadas doses reduzidas, que não visam o controle pleno das espécies, plantas mais jovens de B. brizantha e B. plantaginea apresentaram melhor capacidade de recuperação.

Interação entre nematicidas e herbicidas aplicados no plantio da cana-de-açúcar

O efeito do sinergismo entre os nematicidas aldicarb, carbofuran e terbufós, aplicados no sulco de plantio, e os herbicidas clomazone, metribuzin e tebuthiuron, aplicados em pré-emergência, oito dias após o plantio da cana-de-açúcar foi avaliado em experimento conduzido em solo arenoso. Os sintomas mais acentuados de fitointoxicação foram observados nas parcelas que receberam metribuzin + terbufós ou tebuthiuron + terbufós. Metribuzin e tebuthiuron foram os herbicidas que provocaram sintomas mais acentuados de fitointoxicação, e o tebuthiuron prejudicou o desenvolvimento inicial da cultura, representado pelo número de perfilhos por metro. Apesar disso, não se observou redução significativa de produtividade em função da aplicação conjunta de nematicidas e herbicidas. Na média, aldicarb e carbofuran incrementaram a produtividade de colmos em 12 t ha-1. Parcelas tratadas com clomazone produziram, em média, significativamente mais que as tratadas com metribuzin.

Interação entre sistemas de manejo e de controle de plantas daninhas em pós-emergência afetando o desenvolvimento e a produtividade da soja

Este trabalho teve por objetivo avaliar a interação entre sistemas de manejo e de controle de plantas daninhas em pós-emergência na cultura da soja, cv. BRS 154, em plantio direto em áreas com expressiva cobertura vegetal. Foram avaliados 13 tratamentos, compostos por um esquema fatorial (3x4)+1. Os fatores eram constituídos por três sistemas de manejo (dessecação imediatamente antes da semeadura, dessecação 10 dias antes da semeadura e dessecação antecipada, sendo esta composta por duas aplicações de manejo, a primeira 24 dias antes da semeadura e a segunda na data da semeadura), quatro formas de controle das plantas daninhas após a emergência da cultura (nenhum controle, capina manual das parcelas, aplicação única e aplicação seqüencial de herbicidas) e um tratamento adicional, constituído por uma testemunha absoluta (sem manejo e sem controle em pós-emergência). Embora a dessecação nos diferentes sistemas de manejo tenha sido eficiente, a antecipação da dessecação no manejo antecipado favoreceu a emergência e o desenvolvimento inicial da soja, proporcionando maiores ganhos de produtividade, nas condições de infestação apresentadas. O sistema de manejo afetou também o fluxo de emergência das plantas daninhas após a emergência da soja, com menos reinfestações no sistema de manejo antecipado, em função do controle dos fluxos iniciais proporcionado pela segunda aplicação deste sistema de manejo. O manejo realizado na data da semeadura e dez dias antes prejudicou o desenvolvimento da soja, resultando em menor produtividade. O manejo antecipado, quando comparado aos demais sistemas, proporcionou maior produtividade da soja.

Interação entre herbicida e inseticida sobre o milho-pipoca (Zea mays), as plantas daninhas e a lagarta-do-cartucho

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da mistura de herbicidas nicosulfuron + atrazine e o inseticida chlorpirifos sobre o cultivar de milho-pipoca UFVM2, as plantas daninhas e a lagarta-do-cartucho. Utilizou-se o delineamento experimental de blocos completos ao acaso, em esquema fatorial (5x2)+3, com quatro repetições. O primeiro fator foi constituído pelas doses de nicosulfuron (0, 10, 20, 30 e 40 g ha-1) + atrazine (1.200 g ha-1) + óleo mineral (900 g ha-1) e o segundo pelas doses do inseticida chlorpirifos (0 e 240 g ha-1). Foram avaliados três tratamentos adicionais: duas testemunhas, com e sem capina, ambas sem inseticida, e uma testemunha com capina e com inseticida. Não se observou interação significativa entre doses de nicosulfuron e do chlorpirifos no controle da lagarta-do-cartucho. A mistura no tanque formada pelo chlorpirifos com os herbicidas promoveu intoxicação às plantas de milho-pipoca, principalmente nas maiores doses do nicosulfuron (20, 30 e 40 g ha-1). O chlorpirifos não interferiu na eficiência de controle de plantas daninhas pelos herbicidas nem no estande final, no número de espigas por planta, no rendimento e na capacidade de expansão dos grãos de milho-pipoca.

Interação entre sistemas de manejo e de controle de plantas daninhas em pós-emergência afetando o desenvolvimento e a produtividade do milho

Este trabalho teve por objetivo avaliar a interação entre sistemas de manejo e de controle de plantas daninhas em pós-emergência na cultura do milho, híbrido AG 9010, em semeadura direta, em área com expressiva cobertura vegetal. Foram avaliados 10 tratamentos, compostos por um esquema fatorial (3 x 3) + 1. Os fatores eram constituídos por três sistemas de manejo (dessecação imediatamente antes da semeadura, dessecação 10 dias antes da semeadura e dessecação antecipada, sendo esta composta por duas aplicações de manejo: a primeira 24 dias antes da semeadura e a segunda na data da semeadura), três formas de controle das plantas daninhas após a emergência da cultura (nenhum controle, capina manual das parcelas e aplicação de herbicidas em pós-emergência) e um tratamento adicional, constituído por uma testemunha absoluta (sem manejo e sem controle em pós-emergência). O manejo realizado na data da semeadura e sete dias antes reduziu significativamente a produtividade do milho. Já o manejo antecipado, além de reduzir o fluxo de emergência de plantas daninhas após emergência do milho, proporcionou ganhos de produtividade que variaram entre 696 e 1.867 kg ha-1.