High-throughput method for detection and quantification of lesions on leaf scale based on trypan blue staining and digital image analysis

Background: Field-grown leafy vegetables can be damaged by biotic and abiotic factors, or mechanically damaged by farming practices. Available methods to evaluate leaf tissue damage mainly rely on colour diferentiation between healthy and damaged tissues. Alternatively, sophisticated equipment such as microscopy and hyperspectral cameras can be employed. Depending on the causal factor, colour change in the wounded area is not always induced and, by the time symptoms become visible, a plant can already be severely afected. To accurately detect and quantify damage on leaf scale, including microlesions, reliable diferentiation between healthy and damaged tissue is essential. We stained whole leaves with trypan blue dye, which traverses compromised cell membranes but is not absorbed in viable cells, followed by automated quantifcation of damage on leaf scale. Results: We present a robust, fast and sensitive method for leaf-scale visualisation, accurate automated extraction and measurement of damaged area on leaves of leafy vegetables. The image analysis pipeline we developed automatically identifes leaf area and individual stained (lesion) areas down to cell level. As proof of principle, we tested the methodology for damage detection and quantifcation on two feld-grown leafy vegetable species, spinach and Swiss chard. Conclusions: Our novel lesion quantifcation method can be used for detection of large (macro) or single-cell (micro) lesions on leaf scale, enabling quantifcation of lesions at any stage and without requiring symptoms to be in the visible spectrum. Quantifying the wounded area on leaf scale is necessary for generating prediction models for economic losses and produce shelf-life. In addition, risk assessments are based on accurate prediction of the relationship between leaf damage and infection rates by opportunistic pathogens and our method helps determine the sevn.erity of leaf damage at fne resoluti

Using quantitative methods to understand leaf epidermal development

As the interface between plants and the environment, the leaf epidermis provides the first layer of protection against drought, ultraviolet light, and pathogen attack. This cell layer comprises highly coordinated and specialised cells such as stomata, pavement cells and trichomes. While much has been learned from the genetic dissection of stomatal, trichome and pavement cell formation, emerging methods in quantitative measurements that monitor cellular or tissue dynamics will allow us to further investigate cell state transitions and fate determination in leaf epidermal development. In this review, we introduce the formation of epidermal cell types in Arabidopsis and provide examples of quantitative tools to describe phenotypes in leaf research. We further focus on cellular factors involved in triggering cell fates and their quantitative measurements in mechanistic studies and biological patterning. A comprehensive understanding of how a functional leaf epidermis develops will advance the breeding of crops with improved stress tolerance

Detecting and mapping forest nutrient deficiencies: eucalyptus variety (Eucalyptus grandis x and Eucalyptus urophylla) trees in KwaZulu-Natal, South Africa.

Doctoral Degree. University of KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg.Abstract available in PDF

Desarrollo de materiales de pre-mejora y herramientas biotecnológicas para la adaptación de la berenjena al cambio climático

Tesis por compendio[ES] La berenjena (Solanum melongena) es una hortaliza muy importante en muchas áreas tropicales y subtropicales del mundo. Es la tercera solanácea más producida a nivel mundial, pero a pesar de su importancia los recursos genéticos y las herramientas biotecnológicas para su investigación no han sido desarrollados lo suficiente. Con la actual situación de cambio climático, muchas de las áreas donde se produce este cultivo están sufriendo modificaciones dramáticas en el ambiente y la climatología. Esto está ocasionando una reducción de los rendimientos de este cultivo que cada vez se ven más afectados por la aparición de nuevas enfermedades, plagas, malezas, pérdida en la fertilidad de los suelos, mayor prevalencia de sequía y salinidad, así como el incremento de las temperaturas. La berenjena se encuentra en una situación de vulnerabilidad ante estos cambios debido a los efectos de cuello de botella genético acontecidos durante su domesticación y a la disponibilidad limitada de recursos genéticos accesibles para su mejora genética. En un primer gran bloque de esta tesis, mediante el uso de especies silvestres relacionadas con la berenjena, se ha iniciado el desarrollo de una colección de líneas de introgresión (ILs). Utilizando tres especies representantes de los tres grupos de germoplasma de la berenjena (S. insanum del germoplasma primario, S. dasyphyllum del germoplasma secundario y S. elaeagnifolium del germoplasma terciario) se ha ampliado el fondo genético de este cultivo. Estas especies, han sido seleccionadas por sus extraordinarias capacidades de adaptación a climas áridos, suelos secos y tolerancia a plagas y enfermedades. Reintroduciendo estos genes en el genoma de la berenjena cultivada hemos desarrollado un conjunto de materiales élite, que ponen a disposición de los investigadores y mejoradores nuevos recursos genéticos para la mejora genética de este cultivo. También hemos desarrollado un modelo experimental (Micro-Mel) a partir de materiales de introgresión con la especie S. anguivi. Este modelo consiste en una berenjena de tipo compacto y crecimiento determinado con floración y cuajado múltiple y puede ayudar a desarrollar experimentos rápidos, así como acelerar los ciclos generacionales en los proyectos de mejora. En otro segundo gran bloque de este trabajo, hemos desarrollado una serie de herramientas biotecnológicas que van a permitir desarrollar otro tipo de investigaciones para la adaptación al cambio climático en berenjena. En primer lugar, frente a la necesidad de un protocolo eficiente de regeneración in vitro para poder llevar a cabo experimentos de transformación y edición genética en la berenjena, se ha desarrollado con éxito un protocolo de alto rendimiento basado en el uso del ribósido de zeatina y que presenta una baja dependencia del factor genotipo. Como resultado derivado de este primer desarrollo, diseñamos otro protocolo para la obtención de organismos poliploides en berenjena sin la necesidad de utilizar agentes antimitóticos para la duplicación de su genoma. Empleando los distintos niveles de ploidía presente en algunos tejidos jóvenes (patrón polisomático) conseguimos desarrollar plantas tetraploides in vitro a través de la regeneración directa a partir de estas células, suponiendo una nueva vía hacia el desarrollo de plantas triploides sin semillas. Finalmente, la última herramienta de apoyo a la mejora de la berenjena que se ha desarrollado en esta tesis doctoral ha sido una herramienta basada en la inteligencia artificial para la identificación de estadios de desarrollo de las células precursoras del polen en retrocruces avanzados con especies silvestres. Con esto se ha conseguido optimizar los protocolos de androgénesis empleados para la producción de plantas dobles haploides, automatizando y haciendo más eficiente la selección de anteras con estadios inducibles y por tanto incrementando la tasa de plantas dobles haploid[CA] L'albergínia (Solanum melongena) és una hortalissa molt important en moltes zones tropicals i subtropicals del món. És la tercera solanàcia més produïda en l'àmbit mundial, però malgrat la seua importància els recursos genètics i les ferramentes biotecnològiques per a la seua investigació no han sigut desenvolupades el suficient. Amb l'actual situació de canvi climàtic, moltes de les zones on es produeix aquest cultiu estan patint modificacions dramàtiques al seu ambient i climatologia. Açò ocasiona una reducció dels rendiments d'aquest cultiu que cada vegada es veu més afectat per l'aparició de noves malalties, plagues, males herbes, pèrdua de la fertilitat del sol, major prevalença de la sequera i salinitat, així com l'increment de les temperatures. L'albergínia es troba a una situació de vulnerabilitat davant aquests canvis debuts als efectes de l'erosió genètica ocasionats durant la seua domesticació i a la disponibilitat limitada de recursos genètics accessibles per a la seua millora genètica. En un primer gran bloc d'aquesta tesi, mitjançant l'ús d'espècies silvestres relacionades amb l'albergínia, s'ha iniciat el desenvolupament d'una col·lecció de línies de introgressió (ILs). Utilitzant tres espècies representants dels tres grups de germoplasma de l'albergínia (S. insanum del germoplasma primari, S. dasyphyllum del germoplasma secundari i S. elaeagnifolium del germoplasma terciari) s'ha ampliat el fons genètic d'aquest cultiu. Aquestes espècies, han sigut seleccionades per les seues extraordinàries capacitats d'adaptació a climes àrids, sòls secs i tolerància a plagues i malalties. Reintroduint aquests gens en el genoma de l'albergínia cultivada hem desenvolupat un conjunt de materials elit, que posen a la disposició dels investigadors i milloradors nous recursos genètics per a la millora genètica d'aquest cultiu. També hem desenvolupat un model experimental (Micro-Mel) a partir de materials de introgressió amb l'espècie S. anguivi. Aquest model consisteix en una albergínia de tipus compacte i creixement determinat amb floració i quallat múltiple i pot ajudar a desenvolupar experiments ràpids, així com accelerar els cicles generacionals en els projectes de millora. En un altre segon gran bloc d'aquest treball, hem desenvolupat una sèrie d'eines biotecnològiques que permetran desenvolupar un altre tipus d'investigacions per a l'adaptació al canvi climàtic en albergínia. En primer lloc, enfront de la necessitat d'un protocol eficient de regeneració in vitro per a poder dur a terme experiments de transformació i edició genètica en l'albergínia, s'ha desenvolupat amb èxit un protocol d'alt rendiment basat en l'ús del ribòsid de zeatina i que presenta una baixa dependència del factor genotip. Com a resultat derivat d'aquest primer desenvolupament, dissenyem un altre protocol per a l'obtenció d'organismes poliploids en albergínia sense la necessitat d'utilitzar agents antimitòtics per a la duplicació del seu genoma. Emprant els diferents nivells de ploidía present en alguns teixits joves (patró polisomàtic) aconseguim desenvolupar plantes tetraploids in vitro a través de la regeneració directa a partir d'aquestes cèl·lules, suposant una nova via cap al desenvolupament de plantes triploids sense llavors. Finalment, l'última eina de suport a la millora de l'albergínia que s'ha desenvolupat en aquesta tesi doctoral ha sigut una eina basada en la intel·ligència artificial per a la identificació d'estadis de desenvolupament de les cèl·lules precursores del pol·len en retrocreuaments avançats amb espècies silvestres. Amb això s'ha aconseguit optimitzar els protocols d'androgènesi emprats per a la producció de plantes dobles haploids, automatitzant i fent més eficient la selecció d'anteres amb estadis induïbles i per tant incrementant la taxa de plantes dobles haploids produïdes.[EN] Eggplant (Solanum melongena) is a very important vegetable in many tropical and subtropical areas of the world. It is the third most produced Solanaceae in the world, but despite its importance, genetic resources and biotechnological tools for research have not been sufficiently developed. With the current climate change situation, many of the areas where this crop is produced are undergoing dramatic changes in the environment and the weather. This is causing a reduction in the yields of this crop that are increasingly affected by the appearance of new diseases, pests, weeds, loss of soil fertility, greater prevalence of drought and salinity, as well as the increase in temperatures. The eggplant is in a situation of vulnerability to these changes due to the genetic bottleneck effects that occurred during its domestication and the limited availability of accessible genetic resources for its genetic improvement. In a first large block of this thesis, using wild species related to eggplant, the development of a collection of introgression lines (ILs) has been started. Using three species representing the three groups of eggplant germplasm (S. insanum from primary germplasm, S. dasyphyllum from secondary germplasm and S. elaeagnifolium from tertiary germplasm) the genetic background of this crop has been expanded. These species have been selected for their extraordinary capacities to adapt to arid climates, dry soils and tolerance to pests and diseases. By reintroducing these genes into the genome of cultivated eggplant, we have developed a set of elite materials that make new genetic resources available to researchers and breeders for the genetic improvement of this crop. We have also developed an experimental model (Micro-Mel) from introgression materials with the species S. anguivi. This model consists of an eggplant of compact type and determined growth with multiple flowering and fruit set and can help to develop rapid experiments, as well as accelerate generational cycles in improvement projects. In another second large block of this work, we have developed a series of biotechnological tools that will allow the development of other types of research for adaptation to climate change in eggplant. In the first place, in view of the need for an efficient in vitro regeneration protocol to be able to carry out transformation and gene editing experiments in eggplant, a high-throughput protocol based on the use of zeatin riboside and which presents a low dependence on the genotype factor was developed. As a result, derived from this first development, we designed another protocol to obtain polyploid organisms in eggplant without the need to use antimitotic agents for the duplication of their genome. Using the different levels of ploidy present in some young tissues (polysomatic pattern) we managed to develop tetraploid plants in vitro through direct regeneration from these cells, assuming a new path towards the development of triploid seedless plants. Finally, the last tool to support the breeding of eggplant that has been developed in this doctoral thesis has been a tool based on artificial intelligence for the identification of stages of development of pollen precursor cells in advanced backcrosses with wild species. With this it has been possible to optimize the androgenesis protocols used to produce double haploid plants, automating, and making the selection of anthers with inducible stages more efficient and therefore increasing the rate of double haploid plants produced.García Fortea, E. (2020). Desarrollo de materiales de pre-mejora y herramientas biotecnológicas para la adaptación de la berenjena al cambio climático [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160059TESISCompendi

Plant Biodiversity and Genetic Resources

The papers included in this Special Issue address a variety of important aspects of plant biodiversity and genetic resources, including definitions, descriptions, and illustrations of different components and their value for food and nutrition security, breeding, and environmental services. Furthermore, comprehensive information is provided regarding conservation approaches and techniques for plant genetic resources, policy aspects, and results of biological, genetic, morphological, economic, social, and breeding-related research activities. The complexity and vulnerability of (plant) biodiversity and its inherent genetic resources, as an integral part of the contextual ecosystem and the human web of life, are clearly demonstrated in this Special Issue, and for several encountered problems and constraints, possible approaches or solutions are presented to overcome these

Remote Sensing for Precision Nitrogen Management

This book focuses on the fundamental and applied research of the non-destructive estimation and diagnosis of crop leaf and plant nitrogen status and in-season nitrogen management strategies based on leaf sensors, proximal canopy sensors, unmanned aerial vehicle remote sensing, manned aerial remote sensing and satellite remote sensing technologies. Statistical and machine learning methods are used to predict plant-nitrogen-related parameters with sensor data or sensor data together with soil, landscape, weather and/or management information. Different sensing technologies or different modelling approaches are compared and evaluated. Strategies are developed to use crop sensing data for in-season nitrogen recommendations to improve nitrogen use efficiency and protect the environment

Assessment of maize crop health and water stress based on multispectral and thermal infrared unmanned aerial vehicle phenotyping in smallholder farms.

Masters Degree. University of KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg.Abstract available in PDF.No submissions form available

ESSE 2017. Proceedings of the International Conference on Environmental Science and Sustainable Energy

Environmental science is an interdisciplinary academic field that integrates physical-, biological-, and information sciences to study and solve environmental problems. ESSE - The International Conference on Environmental Science and Sustainable Energy provides a platform for experts, professionals, and researchers to share updated information and stimulate the communication with each other. In 2017 it was held in Suzhou, China June 23-25, 2017

CELSciTech towards Downstream and Commercialization of Research

The Institute for Research and Community Service of Universitas Muhammadiyah Ria

YOUMARES 8 – Oceans Across Boundaries: Learning from each other

This open access book presents the proceedings volume of the YOUMARES 8 conference, which took place in Kiel, Germany, in September 2017, supported by the German Association for Marine Sciences (DGM). The YOUMARES conference series is entirely bottom-up organized by and for YOUng MARine RESearchers. Qualified early career scientists moderated the scientific sessions during the conference and provided literature reviews on aspects of their research field. These reviews and the presenters’ conference abstracts are compiled here. Thus, this book discusses highly topical fields of marine research and aims to act as a source of knowledge and inspiration for further reading and research