Alterações estruturais do sistema radicular de soja em resposta à disponibilidade de fósforo no solo

Tendo em vista que os métodos estatísticos tradicionais de análise dos atributos métricos do sistema radicular são insatisfatórios no que diz respeito à identificação e interpretação de estratégias adotadas pela planta em adaptação ao ambiente edáfico, o objetivo do trabalho foi utilizar conceitos de topologia para analisar as alterações estruturais apresentadas pelo sistema radicular da soja (Glycine max L. Merr. cv. Williams 82) em resposta à disponibilidade de fósforo no solo. Plantas de soja foram cultivadas em recipientes de acrílico preto, em condições controladas de temperatura e fotoperíodo. Dois tratamentos foram estabelecidos, pela adição de solução nutritiva ao substrato dos recipientes: +P (15,5 mg L-1 P) e -P (8,5 mg L-1 P). Utilizando-se delineamento experimental inteiramente casualizado, com parcelas subdivididas no tempo, três repetições foram amostradas aos 5, 10, 15, 20, 25 e 30 dias após a germinação. Para cada tratamento, idade de amostragem e repetição foram obtidos o comprimento da raiz principal (ordem 0), e os respectivos números e comprimentos médios das raízes laterais de ordens 1, 2 e 3, de acordo com a posição de origem na raiz principal. Índices topológicos foram definidos e aplicados para cada tratamento, utilizando-se os valores médios das três repetições. Os índices utilizados foram eficientes em detectar as alterações estruturais apresentadas pelos sistemas radiculares das plantas cultivadas sob menor teor de fósforo no solo.Since the analytical framework and quantitative tools associated with classical statistics are not efficient to identify and interpret plant strategies for adaptation to a given soil environment, the objective of this study was to utilize concepts of topology in order to analyze the structural changes in soybean root systems in response to soil phosphorus availability. Soybean plants were grown in black plexiglas boxes under controlled environment (temperature and photoperiod). The boxes were packed with substrate mixed with nutrient solution to achieve uniform P concentration for two treatments: +P (15.5 mg L-1 P) and -P (8.5 mg L-1 P). In a completely randomized experimental design, three replicates were sampled at 5, 10, 15, 20, 25, and 30 days after germination. For each treatment, plant age, and replicate, the following attributes were obtained: main root length (order 0), and average number and length of order-1, order-2, and order-3 lateral roots according to their position of origin along the main root. Topological indexes were defined and calculated for both treatments, using the mean values of three replicates. Indexes used in this study were efficient in detecting the structural changes performed by the soybean root systems growing under lower soil P concentration

Sugarcane leaf area index modelling in different soil water conditions

O conhecimento da variação do Índice de Área Foliar (IAF) durante todo o ciclo da cultura é essencial para que se possa modelar o crescimento e o desenvolvimento das plantas e, em consequência a produtividade da cultura. Desenvolveu-se neste trabalho modelos de estimativa de IAF da cultura da cana-de-açúcar para os diferentes ciclos de cultivo, a partir do ajuste de valores medidos de IAF e dados de somatório de graus-dia corrigido pelo comprimento do dia a uma função do tipo exponencial potencial. As equações obtidas modelam adequadamente o comportamento do IAF durante todo o ciclo. Foi também calculado o efeito de diferentes níveis de déficit hídrico e em diferentes estádios fenológicos, sobre o crescimento do IAF. Correlacionou-se o déficit de crescimento de IAF com a relação entre a evapotranspiração real e evapotranspiração máxima da cultura e obteve-se, em cada situação, uma constante chamada aqui de KIAF. Em face dos resultados conclui-se que kIAF deve ser estimado não só para diferentes estádios fenológicos mas também para diferentes níveis de déficit hídrico em cada estádio. Paralelamente, desenvolveu-se um método modificado de cálculo do balanço hídrico a partir do modelo de THORNTHWAITE & MATTER (1955), permitindo levar-se em conta as variações da capacidade de água disponível do solo (CAD) e do coeficiente de cultura (kc) durante o ciclo. O método proposto neste trabalho se mostrou adequado para avaliar o comportamento hídrico do solo durante o ciclo da cultura e permitiu o cálculo do balanço hídrico a partir de dados facilmente disponíveis, numa base decendial e sequencialThe knowledge of the Leaf Area Index (LAI) variation during the whole crop cycle is essential to the modelling of the plant growth and development and, consequently, of the crop yield. Sugarcane LAI growth models were developed for different crop cycles, by adjusting observed LAI values and heat units summation data on a power-exponential function. The resultant equations simulate adequately the LAI behaviour during all the crop cycle. It was also calculated the effect of different water stress levels, in different growth periods, upon the LAI growth. The LAI growth deficit was correlated with the ratio between actual evapotranspiration and maximum evapotranspiration, and it was obtained, in each situation, a constant named kLAI. It was noticed that the kLAI must be estimated not just for different growth periods, but also for different water stress levels in each growth period. Besides that, a moisture budget method was developed. In this method, the variations in available soil water and crop coefficient (kc) during the crop cycle is taken into account. The method proposed herein shows adequacy in the evaluation of soil moisture variation during the crop cycle, as well as it allows the moisture budget with easily available data, in a 10-day, sequential basi

Architectural characterization of the Soybean Root System

Devido à dificuldade de observação, quantificação e interpretação de sistemas radiculares, o estado da arte do conhecimento científico nessa área está aquém do desejável. Discute-se e emprega-se diferentes metodologias experimentais para a obtenção de parâmetros que caracterizam o sistema radicular. A complexidade estrutural de sistemas radiculares faz com que a análise e a interpretação da sua arquitetura sejam impossíveis de serem realizadas pela estatística clássica, fazendo com que a modelagem numérica seja uma abordagem atrativa (Wullschleger et al., 1994 e Lynch, 1995), ao lado da análise arquitetural baseada na topologia radicular (Fitter, 1985; 1987 e Fitter et al., 1991). Formula-se um modelo mecanístico de simulação do crescimento e arquitetura radicular baseado em parâmetros medidos, e discute-se diferentes Índices Topológicos e seu significado quanto a diferentes estratégias adaptativas da planta ao ambiente edafoclimático. Existe uma grande variedade na forma ou arquitetura de sistemas radiculares dentro de uma espécie vegetal. A arquitetura radicular é um fator determinante no sucesso adaptativo de uma espécie em determinado ambiente, visto que mudanças arquiteturais no sistema radicular proporcionam à planta uma maior eficiência de exploração e utilização dos recursos do solo. Os sistemas radiculares podem alterar sua arquitetura de forma a possuir a maior eficiência de exploração do solo em busca de recursos (grande crescimento em extensão, às custas de uma menor ramificação), ou a habilidade de utilizar os recursos encontrados de maneira eficiente (sistema radicular profusamente ramificado, às custas do crescimento em extensão). Utilizou-se neste estudo plantas de soja, visto que a maioria dos trabalhos de pesquisa sobre a estrutura e funcionamento de sistemas radiculares de culturas comerciais tem sido realizada com um pequeno número de espécies, com ênfase nas monocotiledôneas, estando as dicotiledôneas herbáceas e as espécies arbóreas ainda praticamente intocadas (McCully, 1995), e estuda-se a influência do teor de fósforo, nutriente de comum deficiência nos solos brasileiros, sobre a arquitetura de seu sistema radicular. Conforme esperado, os dados experimentais e as imagens simuladas pelo modelo mostram uma alocação maior de fotossintatos para as raízes de ordem 1 e 2 (responsáveis pela exploração do solo em busca do recurso escasso) no tratamento com menor teor de P no solo, e uma alocação maior de fotossintatos para as raízes de ordem 3 (responsáveis pela utilização do recurso disponível no solo) no tratamento com maior teor de P no soloRoot systems are difficult to observe, quantify, and interpret, being those the reasons why the scientific knowledge about roots is so poor. Different techniques for the study of roots in soil are discussed and used. The structural complexity of root systems make root architecture impossible to be properly analyzed and understood by classical statistics, being the simulation modeling an attractive approach (Wullschleger et al., 1994; Lynch, 1995), even more if associated with architectural analysis based on topological indexes (Fitter, 1985; 1987 and Fitter et al., 1991). A mechanistic model of root growth and architecture is formulated, and topological indexes and their significance as indicators of different strategies of adaptation to an edaphic environment are discussed. There is a wide variation in the shape and architecture of root systems between individuals of a same plant species. Root architecture is a determining factor in the adaptive success of a species in a given environment, since changes in the architectural configuration allows the plant to achieve an optimum soil exploration and exploitation. Root systems can alter their architecture so that they can achieve a balance between accelerated soil exploration (extension growth) and maximum exploitation efficiency (profuse branching). The plant species studied in this project is soybean, since most of the structural and functional investigations of root systems have been done on a few species, with emphasis on the monocotyledons, being the herbaceous dicotyledons still almost untouched (McCully, 1995). Accordingly, the experimental data and the images simulated by the model show changes in root architecture in response to the soil nutrient (phosphorus) conten

Architectural characterization of the Soybean Root System

Devido à dificuldade de observação, quantificação e interpretação de sistemas radiculares, o estado da arte do conhecimento científico nessa área está aquém do desejável. Discute-se e emprega-se diferentes metodologias experimentais para a obtenção de parâmetros que caracterizam o sistema radicular. A complexidade estrutural de sistemas radiculares faz com que a análise e a interpretação da sua arquitetura sejam impossíveis de serem realizadas pela estatística clássica, fazendo com que a modelagem numérica seja uma abordagem atrativa (Wullschleger et al., 1994 e Lynch, 1995), ao lado da análise arquitetural baseada na topologia radicular (Fitter, 1985; 1987 e Fitter et al., 1991). Formula-se um modelo mecanístico de simulação do crescimento e arquitetura radicular baseado em parâmetros medidos, e discute-se diferentes Índices Topológicos e seu significado quanto a diferentes estratégias adaptativas da planta ao ambiente edafoclimático. Existe uma grande variedade na forma ou arquitetura de sistemas radiculares dentro de uma espécie vegetal. A arquitetura radicular é um fator determinante no sucesso adaptativo de uma espécie em determinado ambiente, visto que mudanças arquiteturais no sistema radicular proporcionam à planta uma maior eficiência de exploração e utilização dos recursos do solo. Os sistemas radiculares podem alterar sua arquitetura de forma a possuir a maior eficiência de exploração do solo em busca de recursos (grande crescimento em extensão, às custas de uma menor ramificação), ou a habilidade de utilizar os recursos encontrados de maneira eficiente (sistema radicular profusamente ramificado, às custas do crescimento em extensão). Utilizou-se neste estudo plantas de soja, visto que a maioria dos trabalhos de pesquisa sobre a estrutura e funcionamento de sistemas radiculares de culturas comerciais tem sido realizada com um pequeno número de espécies, com ênfase nas monocotiledôneas, estando as dicotiledôneas herbáceas e as espécies arbóreas ainda praticamente intocadas (McCully, 1995), e estuda-se a influência do teor de fósforo, nutriente de comum deficiência nos solos brasileiros, sobre a arquitetura de seu sistema radicular. Conforme esperado, os dados experimentais e as imagens simuladas pelo modelo mostram uma alocação maior de fotossintatos para as raízes de ordem 1 e 2 (responsáveis pela exploração do solo em busca do recurso escasso) no tratamento com menor teor de P no solo, e uma alocação maior de fotossintatos para as raízes de ordem 3 (responsáveis pela utilização do recurso disponível no solo) no tratamento com maior teor de P no soloRoot systems are difficult to observe, quantify, and interpret, being those the reasons why the scientific knowledge about roots is so poor. Different techniques for the study of roots in soil are discussed and used. The structural complexity of root systems make root architecture impossible to be properly analyzed and understood by classical statistics, being the simulation modeling an attractive approach (Wullschleger et al., 1994; Lynch, 1995), even more if associated with architectural analysis based on topological indexes (Fitter, 1985; 1987 and Fitter et al., 1991). A mechanistic model of root growth and architecture is formulated, and topological indexes and their significance as indicators of different strategies of adaptation to an edaphic environment are discussed. There is a wide variation in the shape and architecture of root systems between individuals of a same plant species. Root architecture is a determining factor in the adaptive success of a species in a given environment, since changes in the architectural configuration allows the plant to achieve an optimum soil exploration and exploitation. Root systems can alter their architecture so that they can achieve a balance between accelerated soil exploration (extension growth) and maximum exploitation efficiency (profuse branching). The plant species studied in this project is soybean, since most of the structural and functional investigations of root systems have been done on a few species, with emphasis on the monocotyledons, being the herbaceous dicotyledons still almost untouched (McCully, 1995). Accordingly, the experimental data and the images simulated by the model show changes in root architecture in response to the soil nutrient (phosphorus) conten

Sugarcane leaf area index modelling in different soil water conditions

O conhecimento da variação do Índice de Área Foliar (IAF) durante todo o ciclo da cultura é essencial para que se possa modelar o crescimento e o desenvolvimento das plantas e, em consequência a produtividade da cultura. Desenvolveu-se neste trabalho modelos de estimativa de IAF da cultura da cana-de-açúcar para os diferentes ciclos de cultivo, a partir do ajuste de valores medidos de IAF e dados de somatório de graus-dia corrigido pelo comprimento do dia a uma função do tipo exponencial potencial. As equações obtidas modelam adequadamente o comportamento do IAF durante todo o ciclo. Foi também calculado o efeito de diferentes níveis de déficit hídrico e em diferentes estádios fenológicos, sobre o crescimento do IAF. Correlacionou-se o déficit de crescimento de IAF com a relação entre a evapotranspiração real e evapotranspiração máxima da cultura e obteve-se, em cada situação, uma constante chamada aqui de KIAF. Em face dos resultados conclui-se que kIAF deve ser estimado não só para diferentes estádios fenológicos mas também para diferentes níveis de déficit hídrico em cada estádio. Paralelamente, desenvolveu-se um método modificado de cálculo do balanço hídrico a partir do modelo de THORNTHWAITE & MATTER (1955), permitindo levar-se em conta as variações da capacidade de água disponível do solo (CAD) e do coeficiente de cultura (kc) durante o ciclo. O método proposto neste trabalho se mostrou adequado para avaliar o comportamento hídrico do solo durante o ciclo da cultura e permitiu o cálculo do balanço hídrico a partir de dados facilmente disponíveis, numa base decendial e sequencialThe knowledge of the Leaf Area Index (LAI) variation during the whole crop cycle is essential to the modelling of the plant growth and development and, consequently, of the crop yield. Sugarcane LAI growth models were developed for different crop cycles, by adjusting observed LAI values and heat units summation data on a power-exponential function. The resultant equations simulate adequately the LAI behaviour during all the crop cycle. It was also calculated the effect of different water stress levels, in different growth periods, upon the LAI growth. The LAI growth deficit was correlated with the ratio between actual evapotranspiration and maximum evapotranspiration, and it was obtained, in each situation, a constant named kLAI. It was noticed that the kLAI must be estimated not just for different growth periods, but also for different water stress levels in each growth period. Besides that, a moisture budget method was developed. In this method, the variations in available soil water and crop coefficient (kc) during the crop cycle is taken into account. The method proposed herein shows adequacy in the evaluation of soil moisture variation during the crop cycle, as well as it allows the moisture budget with easily available data, in a 10-day, sequential basi

Modelagem matemática como metodologia de análise do crescimento e arquitetura de sistemas radiculares

Devido à dificuldade de observação, quantificação e interpretação de sistemas radiculares, o estado da arte do conhecimento científico nesta área está aquém do desejável. Estas dificuldades tornam a análise e a interpretação da arquitetura de sistemas radiculares praticamente impossíveis de serem realizadas pela estatística tradicional, fazendo com que a modelagem matemática seja uma abordagem atrativa. Utilizou-se neste estudo plantas de soja, visto que a maioria dos trabalhos de pesquisa sobre a estrutura e funcionamento de sistemas radiculares de culturas comerciais tem sido realizada com um pequeno número de espécies, com ênfase nas monocotiledôneas, sendo muito poucos aqueles com dicotiledôneas herbáceas e espécies arbóreas. Estudou-se a influência da concentração de fósforo, nutriente freqüentemente deficiente nos solos brasileiros, sobre a arquitetura do sistema radicular da soja. A modelagem matemática apresentou-se como uma promissora metodologia de análise de dados de sistemas radiculares, possibilitando uma adequada visualização de diferentes estratégias adaptativas da planta, conforme refletidas pelas diferentes arquiteturas radiculares produzidas em cada condição