Plant defense against herbivory: progress in identifying synergism, redundancy, and antagonism between resistance traits.

Plants respond to herbivore attack through a complex and variable system of defense, involving different physical barriers, toxic chemicals, and recruitment of natural enemies. To fully understand the relative role of each type of defense, their synergisms, redundancies, or antagonisms between traits, a variety of methods of enquiry, commonly used in plant physiology and ecology, have been employed. By overexpressing or silencing genes of interest, it is possible to understand the specific role of a particular defensive molecule or mode of action. We argue, however, that these types of experiments alone are not enough to holistically understand the physiological as well as ecological role of plant defenses. We thus advocate for the use of a combination of methods, including genetic modification, quantitative genetics, and phylogenetically controlled comparative studies.

Plant-associated microorganisms: a view from the scope of microbiology

Microorganisms interact with plants because plants offer a wide diversity of habitats including the phyllosphere (aerial plant part), the rhizosphere (zone of influence of the root system), and the endosphere (internal transport system). Interactions of epiphytes, rhizophytes or endophytes may be detrimental or beneficial for either the microorganism or the plant and may be classified as neutralism, commensalism, synergism, mutualism, amensalism, competition or parasitism

Pathogenic plant-microbe interactions. What we know and how we benefit

Plants, like humans and other animals, also get sick, exhibit disease symptoms, and die. Plant diseases are caused by environmental stress, genetic or physiological disorders and infectious agents including viroids, viruses, bacteria and fungi. Plant pathology originated from the convergence of microbiology, botany and agronomy; its ultimate goal is the control of plant disease. Microbiologists have been attracted to this field of research because of the need for identification of the agents causing infectious diseases in economically important crops. In 1878—only two years after Pasteur and Koch had shown for the first time that anthrax in animals was caused by a bacteria—Burril, in the USA, discovered that the fire blight disease of apple and pear was also caused by a bacterium (nowadays known as Erwinia amylovora). In 1898, Beijerinck concluded that tobacco mosaic was caused by a “contagium vivum fluidum” which he called a virus. In 1971, Diener proved that a potato disease named potato spindle tuber was caused by infectious RNA which he called viroid

Optimum Plant Population in Iowa, 2007

As a result of higher seed prices, improved planters and weed management programs, soybean growers are more aware of the importance of seeding rates and optimal plant populations at harvest. A harvest population of approximately 100,000 uniformly distributed plants per acre will maximize economic return in Iowa regardless of row spacing. There appears to be no economic advantage to harvest populations greater than, or less than, 100,000 plants per acre. Economics, however, should be considered carefully when striving for higher harvest populations since seed is expensive. Timely management, such as weed management, is more critical at low plant populations.

Optimum Plant Population in Iowa, 2007

Planting soybeans in rows narrower than 30 inches can improve yield potential. Most Midwest research documents that narrow rows (less than 30 inches) yield greater than wide rows (30 inches or greater). On average in Iowa a 4.5 bu./acre yield increase can be expected using 15-inch row spacing, compared to 30-inch row spacing. These data have been fairly consistent for the past 20 years.

Optimum Plant Population in Iowa, 2007

As a result of higher seed prices, improved planters and weed management programs, soybean growers are more aware of the importance of seeding rates and optimal plant populations at harvest. A harvest population of approximately 100,000 uniformly distributed plants per acre will maximize economic return in Iowa regardless of row spacing. There appears to be no economic advantage to harvest populations greater than, or less than, 100,000 plants per acre. Economics, however, should be considered carefully when striving for higher harvest populations since seed is expensive. Timely management, such as weed management, is more critical at low plant populations.

Structure-function characterization and optimization of a plant-derived antibacterial peptide.

Crushed seeds of the Moringa oleifera tree have been used traditionally as natural flocculants to clarify drinking water. We previously showed that one of the seed peptides mediates both the sedimentation of suspended particles such as bacterial cells and a direct bactericidal activity, raising the possibility that the two activities might be related. In this study, the conformational modeling of the peptide was coupled to a functional analysis of synthetic derivatives. This indicated that partly overlapping structural determinants mediate the sedimentation and antibacterial activities. Sedimentation requires a positively charged, glutamine-rich portion of the peptide that aggregates bacterial cells. The bactericidal activity was localized to a sequence prone to form a helix-loop-helix structural motif. Amino acid substitution showed that the bactericidal activity requires hydrophobic proline residues within the protruding loop. Vital dye staining indicated that treatment with peptides containing this motif results in bacterial membrane damage. Assembly of multiple copies of this structural motif into a branched peptide enhanced antibacterial activity, since low concentrations effectively kill bacteria such as Pseudomonas aeruginosa and Streptococcus pyogenes without displaying a toxic effect on human red blood cells. This study thus identifies a synthetic peptide with potent antibacterial activity against specific human pathogens. It also suggests partly distinct molecular mechanisms for each activity. Sedimentation may result from coupled flocculation and coagulation effects, while the bactericidal activity would require bacterial membrane destabilization by a hydrophobic loop.

Control de 6 respiròmetres i anàlisi de les dades

L’aplicació de tècniques respiromètriques és de recent innovació dins l’estudi dels tractaments d’aigües residuals. Aquest conjunt de tècniques ens permeten analitzar dos processos importants dins una planta de tractament biològic: el creixement de la biomassa i el consum del substrat. Això fa que siguin una eina amb gran potencial en l’avaluació dels sistemes de tractament biològic d’aigües residuals. L’objectiu principal d’aquest treball es la realització d’una aplicació capaç de controlar el funcionament de 6 respiròmetres, gestionant el procés del mostreig de les respirometries i l’anàlisi de les dades obtingudes, per obtenir el substrat ràpidament biodegradable (Ss) per a mostres d’aigua residual, i la taxa màxima de creixement específic per a mostres de compost. L’aplicació s’ha desenvolupat sobre l’entorn Microsoft Access, on s’integren la base de dades amb les mostres i els resultats de les respirometries, i els formularis de control que ens permeten gestionar i controlar els processos de mostreig i anàlisi. L’aplicació es comunica amb els sensors i actuadors dels respiròmetres a través del control ActiveX, ADS-OCX, subministrat per TwinCAT, que ens permet capturar les lectures dels sensors i controlar el funcionament dels actuadors. Aquests elements estan connectats a mòduls descentralitzats d’entrades i sortides, comunicats mitjançant el bus Ethernet amb el PC-Industrial, on s’executa l’aplicació. Un cop finalitzada l’aplicació, aquesta controla correctament el mostreig de les respirometries, registrant les lectures de les sondes a la base de dades i controlant l’activació de les vàlvules del respiròmetre. Partint de les mostres obtingudes, o de respirometries externes, importades des de Microsoft Excel, s’ha comprovat el correcte funcionament en el càlcul del substrat ràpidament biodegradable (Ss) i la taxa màxima de creixement específic. Amb l’aplicació desenvolupada, s’ha comprovat el funcionament i les possibilitats que ens ofereix TwinCAT alhora de controlar mòduls d’entrades i sortides, així com la seva comunicació amb aplicacions com Microsoft Access. Això pot afavorir a la utilització d’aquest tipus de tecnologia, per aplicacions futures.

Automatització d'una planta de processos químics

Resum L’any 1969 es van començar a comercialitzar els sistemes digitals programables coneguts com autòmats programables o PLC’s, utilitzats per controlar qualsevol tipus de procés industrial. Al llarg de tots aquests anys, aquests sistemes i tota la tecnologia en general han evolucionat molt, i només és qüestió de temps que la tecnologia que utilitzem avui en dia quedi obsoleta i substituïda per una de millors característiques i amb més avantatges. Aquest és el motiu de l’elaboració d’aquest treball, que com a objectiu pretén modernitzar un procés de fabricació d’una industria química que ha quedat molt limitat a causa de l’antiguitat de la instal•lació. Per dur a terme aquesta modernització, s’introdueixen sistemes de control amb majors prestacions, s’utilitzen xarxes de comunicacions per facilitar el muntatge elèctric de la instal•lació i un sistema de supervisió i adquisició de dades per poder obtenir un control més estricte del procés de fabricació i de tots els factors que intervenen. El funcionament del procés de fabricació és que a partir d’unes matèries primeres líquides emmagatzemades en dipòsits, es dosifiquin aquestes matèries en l’ordre i la quantitat desitjada dins un o diversos recipients per barrejar-les i aplicar els tractaments que siguin necessaris. Tot aquest procés està controlat per un autòmat programable, i disposa de diferents terminals operadors per poder interactuar amb el sistema. També té implementat un sistema SCADA en diversos ordinadors per aportar una visió general de la planta en temps real, un registre de dades dels paràmetres que es controlen i alhora serveix per enllaçar amb la xarxa d’ordinadors existent. Com annex d’aquest treball, es presenten els esquemes elèctrics i el programa de l’autòmat programable per veure totes les característiques elèctriques dels dispositius i el mètode de funcionament del procés. S’ha aconseguit donar un salt tecnològic i poder gaudir de tots els avantatges que ofereixen les noves tecnologies, que com a resultat s’ha optimitzat i millorat el procés de fabricació. De totes les conclusions, la més destacada és la d’haver dissenyat un sistema de control basat en una estructura descentralitzada molt flexible, que es pot expandir i adaptar fàcilment als possibles canvis.

Obtenció d'estruvita a partir de la fracció líquida digerida de purins de vaca

Actualment a Catalunya existeixen zones amb importants limitacions per l’aplicació de purins al sòl, pel que és imprescindible trobar alternatives de gestió i tractament que permetin l’aprofitament adequat dels recursos continguts a les dejeccions ramaderes sense afectar el medi. La digestió anaeròbia és una de les tècniques utilitzades en el tractament de les dejeccions ramaderes. L’efluent líquid que s’obté d’aquest tractament no modifica el contingut de nitrogen i fòsfor i per tant ha de ser gestionat correctament. L’objectiu general d’aquest projecte és avaluar la precipitació d’estruvita (sal de magnesi, amoni i fosfat) com una alternativa de gestió de l’efluent líquid d’una planta de digestió anaeròbia i compostatge que tracta dejeccions ramaderes conjuntament amb altres residus orgànics. S’han avaluat els efectes dels diferents paràmetres operacionals en la formació d’estruvita (pH, temperatura, velocitat d’agitació, alcalinitat), mitjançant assaigs en discontinu amb solució sintètica. A continuació s’ha procedit a obtenir estruvita a partir de la fracció líquida digerida de purí (FLD), en assaigs en discontinu per estudiar l’efecte del contingut de matèria orgànica i sòlids Totals (ST), així com el contingut en fosfats i el pH de reacció. Finalment, s’han optimitzat els paràmetres de procés en continu, mitjançant la posada en marxa d’un reactor a escala de laboratori i estudi de l’efecte de la velocitat d’agitació i de la introducció del stripping de CO2, tant amb solució sintètica com amb la fracció líquida digerida del purí. Dels resultats obtinguts es pot concloure que els factors que tenen una major influència en el procés d’obtenció d’estruvita són el pH (el pH òptim es situa al voltant de 9), i la presència de matèria orgànica i sòlids ens suspensió, que interfereix de forma quantitativa i qualitativa en la formació de l’estruvita. En el procés en continu s’ha aconseguit reduccions d’un 84% i 98% d’amoni i fòsfor respectivament, obtenintse estruvita que pot ser utilitzada com a fertilitzant d’alliberació lenta. Es pot concloure que la precipitació d’estruvita és una bona alternativa per millorar la gestió de les dejeccions ramaderes alhora que permet recuperar nutrients i tancar cicles. La combinació amb un tractament previ que elimini la matèria orgànica, com podria ser la digestió anaeròbia, i una separació de fases, per eliminar els sòlids en suspensió, es presenta com una configuració amb molts avantatges.

Ecological assembly rules in plant communities--approaches, patterns and prospects.

Understanding how communities of living organisms assemble has been a central question in ecology since the early days of the discipline. Disentangling the different processes involved in community assembly is not only interesting in itself but also crucial for an understanding of how communities will behave under future environmental scenarios. The traditional concept of assembly rules reflects the notion that species do not co-occur randomly but are restricted in their co-occurrence by interspecific competition. This concept can be redefined in a more general framework where the co-occurrence of species is a product of chance, historical patterns of speciation and migration, dispersal, abiotic environmental factors, and biotic interactions, with none of these processes being mutually exclusive. Here we present a survey and meta-analyses of 59 papers that compare observed patterns in plant communities with null models simulating random patterns of species assembly. According to the type of data under study and the different methods that are applied to detect community assembly, we distinguish four main types of approach in the published literature: species co-occurrence, niche limitation, guild proportionality and limiting similarity. Results from our meta-analyses suggest that non-random co-occurrence of plant species is not a widespread phenomenon. However, whether this finding reflects the individualistic nature of plant communities or is caused by methodological shortcomings associated with the studies considered cannot be discerned from the available metadata. We advocate that more thorough surveys be conducted using a set of standardized methods to test for the existence of assembly rules in data sets spanning larger biological and geographical scales than have been considered until now. We underpin this general advice with guidelines that should be considered in future assembly rules research. This will enable us to draw more accurate and general conclusions about the non-random aspect of assembly in plant communities.

Bacterial subfamily of LuxR regulators that respond to plant compounds.

Pseudomonas fluorescens are rhizobacteria known for their biocontrol properties. Several antimicrobial functions are crucial for this process, and the experiments described here investigate the modulation of their expression during the plant-bacterium interaction. The role of a LuxR family regulator in interkingdom signaling has been investigated using genome-scale transcriptome analysis, gene promoter studies in vivo and in vitro, biocontrol assays, and response to plant compounds. PsoR, a LuxR solo or orphan regulator of P. fluorescens, was identified. PsoR is solubilized and activates a lux-box-containing promoter only in the presence of macerated plants, suggesting the presence of a plant molecule(s) that most likely binds to PsoR. Gene expression profiles revealed that genes involved in the inhibition of plant pathogens were affected by PsoR, including a chitinase gene, iron metabolism genes, and biosynthetic genes of antifungal compounds. 2,4-Diacetylphloroglucinol production is PsoR dependent both in vitro and in vivo. psoR mutants were significantly reduced for their ability to protect wheat plants from root rot, and damping-off caused by Pythium ultimum infection. PsoR most likely senses a molecule(s) in the plant and modulates expression of genes that have a role in biocontrol. PsoR and related proteins form a subfamily of LuxR family regulators in plant-associated bacteria.

Occurrence and molecular diversity of the Fit insect toxin locus in plant-beneficial pseudomonads

The application of plant-beneficial pseudomonads provides a promising alternative to chemical pest management in agriculture. The fact that Pseudomonas fluorescens CHA0 and Pf-5, both well-known biocontrol agents of fungal root diseases, exhibit also potent insecticidal activity is of particular interest, as these plant-beneficial bacteria naturally colonize the rhizosphere of important crop plants. Insecticidal activity in these strains depends on a novel locus encoding the production of a protein toxin termed Fit (for P. fluorescens insecticidal toxin). To gain a better understanding of the ecological relevance of the Pseudomonas anti-insect activity, we have begun to investigate the occurrence and molecular diversity of the Fit toxin genes among root-associated pseudomonads. To this end, we have screened a large world-wide collection of fluorescent Pseudomonas sp. isolated from the roots of different plant species using molecular fingerprinting techniques. The strains are already well characterized for exoproduct patterns and disease-suppressive ability and are currently being tested for insecticidal activity in a greater wax moth larvae assay system.