Estudio de una estrategia alternativa de ingeniería genética para incrementar la fijación biológica de nitrógeno atmosférico

Para satisfacer los altos rendimientos que impulsan la agricultura moderna la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha sido fundamental. Dado que la base de la producción industrial de los fertilizantes químicos esta basado en el uso de combustibles fósiles, estos, actualmente, incrementan el costo económico debido a la disminución constante de las reservas de petróleo. Además, dada la baja eficiencia en el uso del fertilizante aplicado por parte de las plantas y el alto impacto ambiental debido a la emisión de óxido nitroso, resulta necesario emprender la búsqueda de nuevas estrategias para aumentar la concentración del nitrógeno fijado. Una de las propuestas para disminuir la aplicación de fertilizantes es el uso de microorganismos fijadores de nitrógeno; que ya son ampliamente utilizados en leguminosas por su capacidad de establecer asociaciones simbióticas; las cuales, lamentablemente, aún no han sido encontradas entre los principales cultivos de cereales. El objetivo del presente trabajo es la producción de una técnica de ingeniería genética que permita obtener bacterias fijadoras de nitrógeno recombinantes capaces de asociarse a distintos cultivos vegetales incrementando la productividad de los mismos. Para ello, los genes que sintetizan la nitrogenasa (nif), que están co-localizados en una isla genómica, en Pseudomonas stutzeri A1501 se transfirieron, vía el cósmido recombinante X940, a un promotor del crecimiento vegetal, Pseudomonas protegens Pf-5. La bacteria recombinante obtenida, P. protegens Pf-5 X940, fue capaz de crecer en medios de cultivo deficientes en nitrógeno o con el agregado de amonio; mostró una alta actividad nitrogenasa, liberando al medio de cultivo cantidades significativas de amonio y presentó expresión de los genes nif, sugiriendo que el proceso de fijación, en esta bacteria, es constitutivo. Las inoculaciones de especies vegetales (arabidopsis, alfalfa, festuca alta y maíz) con Pf-5 X940 aumentaron la concentración de amonio en el suelo y la productividad de las plantas en condiciones deficientes de nitrógeno. Estos resultados inician un nuevo camino hacia la producción efectiva de inoculantes recombinantes para la fijación de nitrógeno en un amplio rango de cultivos

Mecanismos de tolerancia a sequía y sus efectos sobre la habilidad competitiva de pastos de la estepa patagónica

En zonas áridas y semiáridas, las estrategias evolutivas de uso del agua determinan la posibilidad de coexistencia, entre especies vegetales. El objetivo propuesto de evaluar si existen diferencias en los niveles de tolerancia a sequía entre pastos que coexisten en un sistema semiárido patagónico, y si dichas diferencias determinan su capacidad de competir por el agua y el resultado de esa competencia a largo plazo. Se estudiaron 4 especies de pastos: Bromus pictus, Poa ligularis, Pappostipa speciosa y Festuca pallescens. En dos experimentos controlados P. speciosa fue la especie más tolerante (menor efecto de la sequía sobre la biomasa), la menos plástica y la de menor crecimiento potencial. En el otro extremo, B. pictus fue la menos tolerante, más plástica y con mayor crecimiento potencial. P. ligularis junto con F. pallescens, esta última proveniente de un ambiente con mayor productividad, resultaron ser especies de plasticidad y crecimiento potencial intermedios. En un experimento de dos años de duración en el campo, la especie menos tolerante (B. pictus)mostró menor habilidad competitiva que la más tolerante (P. speciosa)solamente cuando la disponobilidad de agua era baja y su competidora era de mayor tamaño. Mediante modelos de Markov, basados en mapas sucesivos de vegetación, de parcelas permamentes clausuradas al pastoreo, se observó para una ventana temporal de 7 años que la especie más representada en la comunidad climáxica no era ni la más tolerante ni la de mayor crecimiento potencial. Las especies mostraron diferencias claras de dinámica: la menos frecuente (B. pictus)persiste gracias a su permanencia en cada sitio ocupado; la más frecuente (P. ligularis), en cambio, mediante una elevada movilidad (colonizando suelo desnudo y reemplazando a vecinas), mientras que P. speciosa, de frecuencia intermedia, presentó una combinación entre permanencia y movilidad. Estos pastos mostraron diferencias funcionales en el uso del agua, señalando al gremio de los pastos perennes patagónicos como un grupo más heterogéneo de lo que pensaba. Las diferencias en el uso del agua implicarían una diferenciación funcional de los nichos de las especies posibilitando su coexistencia.

Estudio de una estrategia alternativa de ingeniería genética para incrementar la fijación biológica de nitrógeno atmosférico

Para satisfacer los altos rendimientos que impulsan la agricultura moderna la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha sido fundamental. Dado que la base de la producción industrial de los fertilizantes químicos esta basado en el uso de combustibles fósiles, estos, actualmente, incrementan el costo económico debido a la disminución constante de las reservas de petróleo. Además, dada la baja eficiencia en el uso del fertilizante aplicado por parte de las plantas y el alto impacto ambiental debido a la emisión de óxido nitroso, resulta necesario emprender la búsqueda de nuevas estrategias para aumentar la concentración del nitrógeno fijado. Una de las propuestas para disminuir la aplicación de fertilizantes es el uso de microorganismos fijadores de nitrógeno; que ya son ampliamente utilizados en leguminosas por su capacidad de establecer asociaciones simbióticas; las cuales, lamentablemente, aún no han sido encontradas entre los principales cultivos de cereales. El objetivo del presente trabajo es la producción de una técnica de ingeniería genética que permita obtener bacterias fijadoras de nitrógeno recombinantes capaces de asociarse a distintos cultivos vegetales incrementando la productividad de los mismos. Para ello, los genes que sintetizan la nitrogenasa (nif), que están co-localizados en una isla genómica, en Pseudomonas stutzeri A1501 se transfirieron, vía el cósmido recombinante X940, a un promotor del crecimiento vegetal, Pseudomonas protegens Pf-5. La bacteria recombinante obtenida, P. protegens Pf-5 X940, fue capaz de crecer en medios de cultivo deficientes en nitrógeno o con el agregado de amonio; mostró una alta actividad nitrogenasa, liberando al medio de cultivo cantidades significativas de amonio y presentó expresión de los genes nif, sugiriendo que el proceso de fijación, en esta bacteria, es constitutivo. Las inoculaciones de especies vegetales (arabidopsis, alfalfa, festuca alta y maíz)con Pf-5 X940 aumentaron la concentración de amonio en el suelo y la productividad de las plantas en condiciones deficientes de nitrógeno. Estos resultados inician un nuevo camino hacia la producción efectiva de inoculantes recombinantes para la fijación de nitrógeno en un amplio rango de cultivos

Efecto interactivo de la defoliación del estrato herbáceo y la cobertura del estrato arbóreo sobre el crecimiento del estrato herbáceo en sistemas silvopastoriles

El crecimiento demográfico y las actuales y futuras consecuencias del cambio climático hacen necesario maximizar la eficiencia productiva y ambiental de los sistemas de producción agrícola. Los sistemas silvopastoriles forman parte de las prácticas agroecológicas que permiten cumplir con este objetivo a partir de la sinergia lograda al complementar la actividad ganadera con la forestal a nivel de predio. La diversificación productiva provee al sistema alta estabilidad y resiliencia económica y ambiental. En el N.O. de Patagonia, lugar donde se desarrolló la presente tesis, los sistemas silvopastoriles basados en forestaciones de Pinus ponderosa implantadas sobre pastizales naturales de Festuca pallescens permitirían conjugar la tradicional ganadería extensiva con la incipiente actividad forestal. El desarrollo de sistemas silvopastoriles en base a estas especies será factible si el balance neto de las interacciones biológicas de competencia y facilitación entre ambos componentes es neutro o positivo. El aprovechamiento forrajero del pastizal, objetivo primario de la producción herbácea en los sistemas silvopastoriles, implica considerar el efecto de la defoliación. La defoliación, al disminuir la biomasa aérea, provoca cambios en la disponibilidad de luz y en las señales lumínicas que la planta percibe, disminuye la transpiración y puede atenuar el estrés hídrico. La presencia del estrato arbóreo en los sistemas silvopastoriles también actúa sobre la disponibilidad de luz y el estado hídrico de las plantas del estrato herbáceo. Dependiendo del tamaño de los árboles y el manejo silvícola aplicado, la cantidad y calidad de luz que alcanza el sotobosque disminuyen. Asimismo, los árboles pueden competir por el agua disponible en suelo o disminuir la demanda atmosférica que experimentan los pastos por efecto del sombreo. El resultado neto de ambos efectos determinará el estado hídrico de las plantas del estrato herbáceo (...)

Seguimiento de la productividad forrajera mediante teledetección : desarrollo de una herramienta de manejo para sistemas de producción ganaderos

La productividad forrajera (PF)es una variable crítica para el manejo y la planificación de los sistemas de producción ganaderos. Sin embargo, las dificultades para cuantificarla a campo y la necesidad de manejar un marco conceptual robusto para utilizarla en la toma de decisiones hacen que habitualmente los sistemas de producción se manejen con una caracterización rudimentaria de esta variable. En esta tesis se desarrolló un sistema de seguimiento de la PF en tiempo real y a la escala de lote, basado en la lógica de la eficiencia en el uso de la radiación (EUR). Primero se diseñó y se puso en funcionamiento una versión preliminar del sistema, y luego se investigaron en mayor detalle dos aspectos críticos de su funcionamiento: la estimación de la fracción de radiación absorbida por el canopeo (fRFAA)a partir de índices de vegetación derivados de imágenes satelitales, y el comportamiento de la EUR ante variaciones del estrés ambiental, el manejo de la defoliación, y la escala temporal de observación. La metodología para implementar la versión preliminar del sistema de seguimiento forrajero se basó en estimar la fRFAA y la EUR. La primera fue estimada como una función no lineal del índice de vegetación normalizado del sensor MODIS. La estimación de la EUR se basó en calibraciones empíricas entre la PF estimada a campo y la radiación absorbida para dos recursos forrajeros: pasturas de loma y bajos de agropiro. Los resultados mostraron que la radiación absorbida predijo datos independientes de PF con precisión aceptable. El sistema fue implementado informáticamente en un software específico denominado Segf. En relación al primer aspecto de mejora del sistema, la estimación de la fRFAA, se estudió la absorción de radiación a campo con una barra de interceptación en cultivos de trigo (utilizados como modelo experimental)y se la correlacionó con distintos índices de vegetación calculados a partir del sensor espectral MODIS. Se encontró que los índices de vegetación explicaron entre 90 y 94 por ciento de las variaciones de fRFAA. El índice de vegetación mejorado presentó una relación más lineal que el clásico índice de vegetación normalizado, posiblemente debido a la ausencia de saturación del primero ante aumentos del área foliar. En relación al segundo aspecto de mejora del sistema, la variabilidad de la EUR, se realizó un experimento de un año sobre una pastura consociada de festuca y alfalfa sometida a distintos tratamientos. La EUR fue más estable que la fRFAA ante cambios de la disponibilidad de recursos y de intensidad de defoliación. Sin embargo, la EUR tendió a disminuir ante estrés hídrico (déficit y exceso), y a aumentar ante defoliación severa y sombreado. Además, la variabilidad de la EUR a lo largo del rebrote de la pastura y entre tratamientos dependió de la escala temporal de observación o cálculo: fue más variable al considerar períodos de 12 días que al considerar todo el período de rebrote o la estación (45 y 90 días respectivamente). Como resultado de la tesis, los productores agropecuarios y sus asesores cuentan con un sistema capaz de estimar mes a mes la PF de sus lotes para una serie temporal de aproximadamente diez años. Actualmente 1.478.000 ha ganaderas están bajo seguimiento mediante un sistema basado en esta tesis. Esto implica un cambio cualitativo de disponibilidad de información y representa una oportunidad para tomar mejores decisiones de manejo, a la vez que concientiza sobre el uso racional del forraje para maximizar su crecimiento. Adicionalmente, la base de datos de PF generada, extraordinariamente amplia en su cobertura espacial y temporal, será de utilidad para trabajos de investigación sobre los patrones espacio-temporales de PF.

Nomenclature and syntaxonomic notes on some high-rank syntaxa of the European grassland vegetation

We present descriptions of a new order (Ranunculo cortusifolii-Geranietalia reuteri and of a new alliance (Stachyo lusitanicae-Cheirolophion sempervirentis) for the herbaceous fringe communities of Macaronesia and of the southwestern Iberian Peninsula, respectively. A new alliance, the Polygalo mediterraneae-Bromion erecti (mesophilous post-cultural grasslands), was introduced for the Peninsular Italy. We further validate and typify the Armerietalia rumelicae (perennial grasslands supported by nutrient-poor on siliceous bedrocks at altitudes characterized by the submediterranean climate of central-southern Balkan Peninsula), the Securigero-Dasypyrion villosae (lawn and fallow-land tall-grass annual vegetation of Italy), and the Cirsio vallis-demoni-Nardion (acidophilous grasslands on siliceous substrates of the Southern Italy). Nomenclatural issues (validity, legitimacy, synonymy, formal corrections) have been discussed and clarified for the following names: Brachypodio-Brometalia, Bromo pannonici-Festucion csikhegyensis, Corynephoro-Plantaginion radicatae, Heleochloion, Hieracio-Plantaginion radicatae, Nardetea strictae, Nardetalia strictae, Nardo-Callunetea, Nardo-Galion saxatilis, Oligo-Bromion, Paspalo-Heleochloetalia, Plantagini-Corynephorion and Scorzoneret alia villosae. 

Arbuscular mycorrhizal fungal communities are phylogenetically clustered at small scales

Next-generation sequencing technologies with markers covering the full Glomeromycota phylum were used to uncover phylogenetic community structure of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) associated with Festuca brevipila. The study system was a semi-arid grassland with high plant diversity and a steep environmental gradient in pH, C, N, P and soil water content. The AMF community in roots and rhizosphere soil were analyzed separately and consisted of 74 distinct operational taxonomic units (OTUs) in total. Community-level variance partitioning showed that the role of environmental factors in determining AM species composition was marginal when controlling for spatial autocorrelation at multiple scales. Instead, phylogenetic distance and spatial distance were major correlates of AMF communities: OTUs that were more closely related (and which therefore may have similar traits) were more likely to co-occur. This pattern was insensitive to phylogenetic sampling breadth. Given the minor effects of the environment, we propose that at small scales closely related AMF positively associate through biotic factors such as plant-AMF filtering and interactions within the soil biota.

Projecto de um sistema de rega para uma exploração agrícola na Beira Gomes

Trabalho de Projecto de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Effet des macrophytes aquatiques sur le traitement d’eau contaminée à l’ACC et au PCP

L’objectif principal de ce projet est d’évaluer le potentiel d’un système de marais filtrants combinés pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois - l’arséniate de cuivre chromaté (ACC) et le pentachlorophénol (PCP) - en portant une attention particulière au rôle des plantes. Pour ce faire, une expérience en pot faisant varier la concentration d’exposition de quatre espèces de macrophyte (Typha angustifolia, Phalaris arundinacea, Phragmites australis americanus et Phragmites australis australis) a été effectuée. Le suivi de quatre marais filtrants à écoulement horizontal sous-surfacique, plantés d’une des quatre espèces de macrophyte et d’un bassin planté de saules (Salix Miyabeana SX67) a également été réalisé. La résistance des plantes au milieu contaminé, la capacité de bioaccumulation des macrophytes et les efficacités de traitement des différents systèmes ont été analysés. Nos résultats montrent que la concentration d’exposition n’influence pas la capacité des plantes à croître en milieu contaminé. Par contre, il existe une relation dose-réponse entre la concentration d’exposition et la capacité de bioaccumulation des macrophytes. Les quatre marais pilotes ont tous des efficacités de traitements supérieures à 55% en 2013 et 82% en 2014 pour les contaminants à l’étude. Le bassin de saule a la capacité théorique d’évapotranspirer jusqu’à 1200 L par jour. De plus, ses efficacités de traitements sont supérieures à 59% pour tous les composés à l’étude. L’utilisation de marais filtrants pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois est donc une alternative intéressante aux méthodes de traitement conventionnel.

Plants growing on contaminated and brownfield sites appropriate for use in Organisation for Economic Co-operation and Development terrestrial plant growth test

The Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) Terrestrial plant test is often used for the ecological risk assessment of contaminated land. However, its origins in plant protection product testing mean that the species recommended in the OECD guidelines are unlikely to occur on contaminated land. Six alternative species were tested on contaminated soils from a former Zn smelter and a metal fragmentizer with elevated concentrations of Cd, Cu, Pb, and Zn. The response of the alternative species was compared to two species recommended by the OECD; Lolium perenne (perennial ryegrass) and Trifolium pratense (red clover). Urtica dioica (stinging nettle) and Poa annua (annual meadow-grass) had low emergence rates in the control soil so may be considered unsuitable. Festuca rubra (chewings fescue), Holcus lanatus (Yorkshire fog), Senecio vulgaris (common groundsel), and Verbascum thapsus (great mullein) offer good alternatives to the OECD species. In particular, H. lanatus and S. vulgaris were more sensitive to the soils with moderate concentrations of Cd, Cu, Pb, and Zn than the OECD species.

Effect of condensed tannins from tropical legumes on the activity of fibrolytic enzymes from the rumen fungus Neocallimastyx hurleyensis

A study was conducted to assess the effect of condensed tannins on the activity of fibrolytic enzymes from the anaerobic rumen fungus, Neocallimastix hurleyensis and a recombinant ferulic acid esterase (FAE) from the aerobic fungus Aspergillus niger. Condensed tannins were extracted from the tropical legumes Desmodium ovalifolium, Flemingia macrophylla, Leucaena leticocephala, Leucaena pallida, Calliandra calothyrsus and Clitoria fairchildiana and incubated in fungal enzyme mixtures or with the recombinant FAE. In most cases, the greatest reductions in enzyme activities were observed with tannins purified from D. ovalifolium and F macrophylla and the least with tannins from L leucocephala. Thus, whereas 40 mu g ml(-1) of condensed tannins from C. calothyrsus and L. leucocephala were needed to halve the activity of N. hurleyensis carboxymethylcellulase (CMCase), just 5.5 mu g ml(-1) of the same tannins were required to inhibit 50% of xylanase activity. The beta-D-glucosidase and beta-D-Xylosidase enzymes were less sensitive to tannin inhibition and concentrations greater than 100 mu g ml(-1) were required to reduce their activity by 50%. In other assays, the inhibitory effect of condensed tannins when added to incubation mixtures containing particulate substrates (the primary cell walls of E arundinacea) or when bound to these substrate was compared. Substrate-associated tannins were more effective in preventing fibrolytic activities than tannins added directly to incubations solutions. It was concluded that condensed tannins from tropical legumes can inhibit fibrolytic enzyme activities, although the extent of the effect was dependent on the tannin, the nature of its association with the substrate and the enzyme involved. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

PGR forum: serving the crop wild relative user community

The Euro-Mediterranean region is an important centre for the diversity of crop wild relatives. Crops, such as oats (Avena sativa), sugar beet (Beta vulgaris), apple (Malus domestica), annual meadow grass (Festuca pratensis), white clover (Trifolium repens), arnica (Arnica montana), asparagus (Asparagus officinalis), lettuce (Lactuca sativa), and sage (Salvia officinalis) etc., all have wild relatives in the region. The European Community funded project, PGR Forum (www.pgrforum.org) is building an online information system to provide access to crop wild relative data to a broad user community; including plant breeders, protected area managers, policy-makers, conservationists, taxonomists and the wider public. The system will include data on uses, geographical distribution, biology, population and habitat information, threats (including IUCN Red List assessments) and conservation actions. This information is vital for the continued sustainable utilisation and conservation of crop wild relatives. Two major databases have been utilised as the backbone to a Euro-Mediterranean crop wild relative catalogue, which forms the core of the information system: Euro+Med PlantBase (www.euromed.org.uk) and Mansfeld’s World Database of Agricultural and Horticultural Crops (http://mansfeld.ipk-gatersleben.de). By matching the genera found within the two databases, a preliminary list of crop wild relatives has been produced. Around 20,000 of the 30,000+ species listed in Euro+Med PlantBase can be considered crop wild relatives, i.e. those species found within the same genus as a crop. The list is currently being refined by implementing a priority ranking system based on the degree of relatedness of taxa to the associated crop.

Caracterização físico-química de algumas tuberosas amiláceas

As principais fontes de amido comercial no mundo são o milho, a batata e a mandioca. Entretanto, nos últimos anos vem crescendo o interesse em amidos naturais que possam ser utilizados pela indústria alimentícia. Assim, este trabalho teve por objetivo caracterizar, quanto à composição físico-química, açafrão, ahipa, araruta, batata-doce, biri, inhame e mandioquinha-salsa, tuberosas amiláceas potencialmente passíveis de introdução como matérias-primas de interesse comercial. Amostras das tuberosas foram analisadas quanto ao teor de umidade, cinzas, proteína, matéria graxa, açúcares redutores e totais, fibras e amido. Os resultados obtidos mostraram que das tuberosas analisadas as que apresentaram maior teor de amido foram a araruta (Maranta arundinacea), o inhame (Dioscorea sp) e o biri (Canna edulis), sendo que o inhame e o biri apresentaram também o maior rendimento potencial em toneladas de amido/hectare.

REDUCING NUISANCE CANADA GOOSE PROBLEMS THROUGH HABITAT MANIPULATION

Urban populations of Canada geese (Branta canadensis) cause considerable problems when large numbers congregate in parks, playing fields, and backyards. In most cases, geese are drawn to these sites to feed on the lawns. I tested whether geese have feeding preferences for different grass species. Captive Canada geese preferred Kentucky bluegrass (Poa pratensis) and disliked tall fescue (Festuca arundinaceae) over colonial bentgrass (Agrostis tenuis cv. Highland), perennial ryegrass (Lolium perenne), and red fescue (Festuca rubra). They refused to eat some other ground covers such as pachysandra (Pachysandra terminalis) and English ivy (Hedera helix). These results suggest that goose numbers at problem sites could be reduced by changing the ground cover. I also compared the characteristics of foraging sites used by geese to other foraging sites that geese avoided. Occupied sites were more open so that geese had clearer visibility and greater ease in taking off and landing. This suggests that goose numbers at problem sites also could be reduced by planting tall trees to make it harder for the geese to fly away, and planting bushes and hedges to obstruct a goose's visibility.

Physiological and Biochemical Aspects of Iron Nutrition in Grapevine

The objective of this thesis was to study the response mechanisms of grapevine to Fe-deficiency and to potential Fe chlorosis prevention strategies. The results show that the presence of bicarbonate in the nutrient solution shifted the activity of PEPC and TCA cycle enzymes and the accumulation/translocation of organic acids in roots of Fe-deprived plants. The rootstock 140 Ruggeri displayed a typical behavior of calcicole plants under bicarbonate stress. The Fe chlorosis susceptible rootstock 101-14 reacted to a prolonged Fe-deficiency reducing the root activity of PEPC and MDH. Noteworthy, it accumulates high levels of citric acid in roots, indicating a low capacity to utilizing, transporting and/or exudating organic acids into the rhizosfere. In contrast, 110 Richter rootstock is capable to maintain an active metabolism of organic acids in roots, accumulating them to a lesser extent than 101-14. Similarly to 101-14, SO4 genotype displays a strong decrease of mechanisms associated to Fe chlorosis tolerance (PEPC and MDH enzymes). Nevertheless it is able to avoid excessive accumulation of citric acid in roots, similar as 110 Richter rootstock. Intercropping with Festuca rubra increased leaf chlorophyll content and net photosynthesis. In addition, intercropping reduces the activity of PEPC in roots, similary to Fe-chelate supply. Applications of NH4+ with nitrification inhibitor prevents efficiently Fe-deficiency, increases chlorophyll content, and induces similar root biochemical responses as Fe-EDDHA. Without the addition of nitrification inhibitors, the effectiveness of NH4+ supply on Fe chlorosis prevention resulted significantly lower. The aspects intertwined in this investigation highlight the complexity of Fe physiology and the fine metabolic tuning of grapevine genotypes to Fe availability and soil-related environmental factors. The experimental evidences reveal the need to carry out future researches on Fe nutrition maintaining a continous flow of knowledge between theoretical and agronomical perspectives for fully supporting the efforts devoted to convert science into practice.