京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第18345号 / 農博第2070号 / 新制||農||1024(附属図書館) / 学位論文||H26||N4852(農学部図書室) / 31203 / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 梅澤 俊明, 教授 矢﨑 一史, 教授 間藤 徹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

Rice is an important human staple food for over half of the world’s population. Amylose content (AC), gelatinization temperature (GT), grain protein content (GPC), percentage grain chalkiness (PGC), and mineral content are important parameters for evaluating rice quality, which attracts customers and breeders. Only limited genes or QTLs (OsAAP6, OsGluA2, OsASN1, Chalk5, OsHMA3, etc.) are reported regulating rice GPC, PGC, and mineral content due to the lack of genetic knowledge and molecular markers. To dissect the genetic architecture of rice grain quality regulation, genome wide association studies (GWAS) were performed using two populations (USDA-mini core collection and a panel of 662 rice accessions from the 3K Rice Genomes Project). A total of 28, 11, 4, 3, 40, 3, 4, 3, and 10 QTLs were identified associated with Cd, Co, Cu, K, Mo, Ni, Rb, Sr, and Zn under flooded environment, while, 23, 7, 7, 7, and 3 QTLs were detected to be associated with Cd, Fe, Mo, Ni, and Zn under unflooded environment, respectively. Moreover, 6, 5, and 2 significant QTLs were tightly associated with kernel length, kernel rate, kernel width, respectively. Furthermore, 44, 7, 27, and 20 QTLs were identified associated with AC, GT, GPC, and PGC, respectively. Overall, 53 (~ 20.08%) of the 264 QTLs were coinciding with previously reported QTLs/genes, and 211 (~ 79.92%) were novel QTLs. A candidate gene, OsPCAT (putative cationic transporter), associated with GPC in the dry season was selected for further analysis. The OsPCAT gene belongs to the amino acid transporters (AATs) family with nine closely related members reported in Oryza Sativa. The classification and evolution of the CAT family (a subgroup of AATs family) using 61 species were studied. The over-expression lines (OsPCAT-OX) and CRISPR-Cas9 knock-out lines (OsPCAT-KO) were developed to study the function of OsPCAT gene. The preliminary results showed the GPC in OsPCAT-OX lines was increased and OsPCAT-KO lines were decreased compared to WT. Overall, a large number of new and reported QTLs associated with rice grain quality have been identified. This work lays the foundation for marker development in breeding and further investigation on rice grain quality regulation.

Flooding is a major environmental stress that damages agricultural production worldwide. Using the key regulator of submergence tolerance in rice, SUB1A, as a model, we have advanced our understanding of how plants coordinate transcriptional, hormonal, and metabolic responses to submergence. However, the contribution of SUB1A to recovery from sublethal submergence is still unknown. This study revealed SUB1A's additional role in the recovery phase: promotion of a rapid return to normal metabolic status upon desubmergence through quick recovery of photosystem II photochemistry and carbon fixation. We also investigated how SUB1A differentially regulates adaptive responses in two functionally distinct leaves, growing and mature leaves, under submergence. This study revealed that rice plants promote rapid carbohydrate and nitrogen remobilization and transport in mature leaves, supporting quick elongation growth of growing leaves. In the presence of SUB1A, these metabolic processes were suppressed in mature leaves, resulting in the avoidance of energy starvation in the source tissues. In growing leaves, SUB1A enhanced the accumulation of abscisic acid, but repressed the level of ACC, a precursor of ethylene, contributing to the restriction of elongation growth and leaf senescence in the sink tissues. Application of nitrogen fertilizers is a necessary step to maintain high grain yield in cereals, but plants absorb only 30-50% of supplied N. Wheat, one of the most widely grown crops in the world, requires a high level of nitrogen application to maintain grain yield and protein content. In this study, we investigated how nitrogen input affects the accumulation of major N and C compounds and expression of genes associated with N and C metabolism in flag leaves of wheat. We used two genotypes with distinct nitrogen use efficiencies (NUE), VA08MAS-369 and VA07W-415. VA08MAS-369 displayed higher grain yield, stover biomass, and stover N content at low N, which results from greater N-uptake efficiency in this genotype. Consistently, high N-uptake efficiency was reflected by increased mRNA accumulation of nitrate transporters and their transcriptional regulator, NAC2, in flag leaves at the post-anthesis stage. Overall, this study advanced our knowledge of the important mechanisms in plant response to flooding and N limitation in these key staple cereals. / PHD

Eukaryotic organisms require the ability to respond to their environments. They do so by utilizing signal transduction pathways that allow for signals to effect final biological responses. Many times, these final responses require new gene expression events that have been stimulated or repressed within the nucleus. Thus, much of the understanding of signal transduction pathways converges on the understanding of how signaling affects gene expression alterations (Kumar et al., 2004). The regulation of gene expression involves the modification of chromatin between condensed (closed, silent) and expanded (open, active) states. Histone modifications, such as acetylation, can determine the open versus closed status of chromatin. The PHD (Plant HomeoDomain) finger is a structural domain primarily found in nuclear proteins across eukaryotes. This domain specifically recognizes the epigenetic marks H3K4me2 and H3K4me3, which are di- and tri-methylated lysine 4 residues of Histone H3 (Loewith et al., 2000; Kuzmichev et al., 2002; Vieyra et al. 2002; Shiseki et al., 2003; Pedeux et al., 2005, Doyon et al., 2006). It is estimated that there are ~150 proteins that contain the PHD finger in humans (Solimon and Riabowol, 2007). The PHD finger is conserved in yeast and plants, however an analysis of this domain has only been performed done in Arabidopsis thaliana (Lee et al., 2009). The work presented in this report aims to extend the analysis of this domain in plants by identifying the PHD fingers of the crop species Oryza sativa (rice). In addition, a phylogenetic analysis of all PHD fingers in Arabidopsis and rice was undertaken. From these analyses, it was determined that there are 78 PHD fingers in Arabidopsis and 70 in rice. In addition, these domains can be categorized into classes and groups by defining features within the conserved motif. In a separate study, I investigated the function of two of the PHD finger proteins from Arabidopsis, ING1 (INhibitor of Growth1) and ING2. In humans, these proteins can be found in complexes associated with both open and closed chromatin. They facilitate chromatin remodeling by recruiting histone acetyltransferases and histone deacetylases to chromatin (Doyon et al., 2006, Pena et al., 2006). In addition, these proteins recognize H3K4me2/3 marks and are believed to be "interpreters" of the histone code (Pena et al., 2006, Shi et al., 2006). To understand the function of ING proteins in plants, I took a reverse genetics approach and characterized ing1 and ing2 mutants. My analysis revealed that these mutants are altered in time of flowering, as well as their response to nutrient and stress conditions. Lastly, I was able to show that ING2 protein interacts in vitro with SnRK1.1, a nutrient/stress sensor (Baena-Gonzalez et al., 2007). These results indicate a novel function for PHD proteins in plant growth, development and stress response. / Master of Science

Brachiaria é um gênero de forrageiras da família Poaceae que apresenta plantas que se reproduzem por via sexual e assexualmente por apomixia,reprodução por sementes. A apomixia desperta interesse biológico e biotecnológico, pela perspectiva de levar esta característica de clonagem de plantas via sementes, a outras espécies. As cultivares plantadas de B. brizantha cv. Marandu e B. decumbens cv. Basilisk são poliplóides e reproduzem-se por apomixia, enquanto as plantas sexuais são diplóides,o que inviabiliza os cruzamentos, dificultando sobremaneira o melhoramento. A transformação genética é uma estratégia que vem sendo incorporada ao melhoramento genético. A natureza apomítica destasplantas pode permitir a clonagem e estabilidade das plantas transgênicas. Para transformação genética é necessário o desenvolvimento de um método eficiente de regeneraçãoin vitro. B. brizantha é considerada recalcitrante a cultura de tecidos, e métodos eficientes associados com os sistemas de transformação genética ainda não foram descritos na literatura. O arroz (Oryza sativa) é uma Poaceae modelo para estudos de genética inversa, no entanto, cultivares tropicais do grupo japônica são recalcitrantes a transformação genética, como é o caso da cultivar Primavera. O método direto de transformação genética mais amplamente utilizado é a biobalística, e vem sendo aplicado em espécies de monocotiledôneas, uma vez que essas não são hospedeiros naturais de Agrobacterium tumefaciens. No entanto, vários fatores tem sido testados no sentido de favorecer a interação e transferência de genes durante a cocultura para obtenção de transgênicos em diversas espécies de monocotiledôneas. Os objetivos deste estudo foram obter sistemas de regeneração in vitro deB. Brizanthae de arroz cultivar Primavera para transformação genética destas espécies. Em B. brachiaria foram obtidos sistema de micropropagação, organogênese, calos embriogênicos, unidades embriogênicas e suspensões celulares, e para a cultivar Primavera de arroz foram obtidas unidades embriogênicas, que foram caracterizadas morfo-anatomicamente e quanto as condições de indução, multiplicação e regeneração in vitro. Métodos de expressão transiente e estável de genes marcadores foram estabelecidos para B brizantha via biobalística e Agrobacterium tumefaciens. A natureza da transgenia foi confirmada por métodos histoquímico e molecular como PCR e Southern blot. Os sistemas de regeneração e transformação obtidos mostraram-se eficientes e irão contribuir para os estudos da apomixia e introdução de genes de interesse em braquiária / Brachiaria is a genus of Poaceae family forage grass that reproduces by sexual and asexually by apomixis. Apomixis is of biological and biotechnological interest awakened by the prospect of bringing this feature of cloning plants through seed to other species. B. brizantha cv. Marandu and B. decumbens cv. Basilisk are polyploid and reproduce by apomixis, while the sexual plants are diploid, which makes the crosses, greatly hindering the improvement. Genetic transformation is a strategy that is being incorporated into breeding programs. The nature of these apomictic plants may allow the cloning and the stability of transgenic plants. For genetic transformation is necessary to develop an efficient method of in vitro regeneration. B. brizantha is considered recalcitrant to tissue culture, and efficient methods associated with the genetic transformation systems have not been described in the literature. Rice (Oryza sativa) is a Poaceae model for studies of reverse genetics; however, tropical cultivars from japonica group are recalcitrant to genetic transformation, such as Primavera cultivar. Biolistic is the genetic transformation direct method most widely used, and has been applied to species of monocots, since these are not natural hosts of Agrobacterium tumefaciens. However, several factors have been tested in order to promote interaction and gene transfer during coculture for obtaining transgenics in several monocots species. The objectives of this study were to obtain in vitro regeneration and genetic transformation systems for these species. In B. Brachiaria systemsfor micropropagation, organogenesis, embryogenic units and embryogenic cell suspensions were obtained, and forrice Primavera cultivar embryogenic units were obtained, which was morpho-anatomical characterized and in vitro induction, proliferation and regeneration conditions established. Methods for transient and stable gene expression have been acquired for B. brizanthavia biolistic and Agrobacterium tumefaciens. The nature of the embryogenic callus and transgenic plants was confirmed by histochemical and molecular methods such as PCR and Southern blot. The regeneration and transformation systems showed to be effective and will contribute to apomixis studies and introduction of genes of interest in B. brizantha

Nas ultimas décadas, a elevação do consumo e do custo dos fertilizantes minerais tem preocupado o setor agrícola mundial. Portanto, o uso do lodo de esgoto tratado (biossólido) como adubo está sendo incentivado em diversos países, visto que aumenta a produtividade e gera benefícios pela reciclagem da matéria orgânica e nutrientes contidos em sua composição. Ainda assim, a presença de elementos potencialmente tóxicos (ex. metais pesados) no lodo e a falta de conhecimento sobre o seu efeito residual no ambiente, principalmente, em casos onde há a alteração do uso agrícola do solo, têm contribuído para a sua disposição final em aterros sanitários. Esta pesquisa pressupõe que o uso agrícola do lodo de esgoto, mesmo algum tempo após a sua aplicação ao solo, continua exercendo efeito residual favorável sobre a produtividade (biomassa) e a ciclagem de nutrientes em plantios de eucalipto, bem como em culturas de plantas alimentícias. No município de Itatinga-SP, foram instalados três experimentos com povoamentos de Eucalyptus grandis, sendo: (1) Prática de desbaste em dois talhões de eucalipto plantados em 1998, sobre Latossolo Vermelho-Amarelo (LVA) e Latossolo Vermelho Escuro (LVE), e adubados com 20 t ha-1 lodo de esgoto; (2) Prática da talhadia (condução de rebrota) em parcelas cultivadas com eucalipto e adubadas (em 2003) com 10, 20 e 30 t ha-1 de lodo de esgoto, aplicadas na forma úmida (torta) e seca (granulado) e (3) Prática de reforma em parcelas de eucalipto adubadas (em 2005) com 15 t ha-1 dos lodos produzidos pelas estações de tratamento de esgoto de Barueri, São Miguel e Parque Novo Mundo. Um quarto experimento procurou simular a alteração do uso agrícola do solo, pela substituição de povoamentos de eucaliptos adubados com lodo de esgoto (há catorze anos) por áreas de cultivo das espécies: Lactuca sativa L. (alface), Raphanus sativus L. e Oryza sativa L. (arroz de sequeiro). Neste experimento, as plantas foram cultivadas em vasos preenchidos com dois tipos de latossolo (LVA e LVE), ambos coletados em talhões de E. grandis adubados há catorze anos com lodo de esgoto. De modo geral, a adubação dos plantios de eucalipto com os lodos de esgoto elevou o teor de fósforo, cálcio e zinco no solo. Nas áreas de desbaste, as concentrações foliares de nutrientes foram mais elevadas nas árvores cultivadas sob efeito residual do lodo de esgoto; todavia, este efeito não foi suficiente para alterar o crescimento do tronco (em circunferência) das árvores. Na área de talhadia, a adubação com 10 t ha-1 de lodo de esgoto aplicado seco exerceu efeito residual positivo sobre a produção de biomassa aérea. Na área de reforma, a biomassa acumulada pelas árvores cultivadas sob efeito residual do lodo foi superior (até 150%) em relação à testemunha; além disso, este efeito residual do lodo trouxe reflexos positivos também na ciclagem de nutrientes, devido à maior deposição de folhedo. Sob o efeito residual do lodo de esgoto, as plantas alimentícias acumularam 2 a 5 vezes mais biomassa em relação ás respectivas testemunhas, principalmente ao serem cultivadas no LVA. Essas plantas apresentaram, também, concentrações mais elevadas de cádmio nas folhas, bem como de cromo e níquel nas raízes; todavia, em nenhum dos cultivos, foram excedidos os limites de metais pesados preconizados pela Agência de Vigilância Sanitária (ANVISA) do Brasil. / Over the last few decades, the increase in consumption and in the cost of mineral fertilizers has concerned overall agriculture. Therefore, the use of treated sewage sludge (biosolids) as fertilizer has being encouraged in many countries, inasmuch as it increases productivity and generates benefits by the recycling of organic matter and nutrients in its composition. Nevertheless, the presence of potentially toxic elements (e.g. heavy metals) in the sludge and the lack of knowledge about its long term effect on the environment, especially in cases where there is a change in agricultural use, have contributed to its final disposal in landfills. This research assumes that the agricultural use of sewage sludge, even some time after its application to the soil, have a favorable long term effect on productivity (biomass) and nutrient cycling in eucalypt stands, as well as in cultures of food plants. For this study, three experiments with Eucalyptus grandis were installed in Itatinga/SP: (1) Thinning practice in two eucalyptus stands planted in 1998, on sandy and clayey ferralsol (LVA and LVE, by its acronym in Portuguese), both fertilized with 20 t ha-1 of sewage sludge; (2) Coppicing practice (sprouting conduct) in eucalyptus plots fertilized (in 2003) with 10, 20 and 30 t ha-1 of wet and dry sewage sludge; and (3) Reform techniques in eucalyptus plots fertilized (in 2005) with 15 t ha-1 of sludge produced by Barueri\'s, São Miguel\'s and Parque Novo Mundo\'s wastewater treatment plants. A fourth experiment simulated the change of use of agricultural soil, by replacing eucalyptus stands fertilized with sewage sludge (fourteen years ago) for vegetable species: Lactuca sativa L. (lettuce), Raphanus sativus L. (radish) and Oryza sativa L. (upland rice). In this experiment, plants were grown in pots filled with two types of ferralsol (LVA and LVE), both collected in E. grandis stands fertilized with sewage sludge (14 years ago). In general, the eucalyptus stands fertilization with sewage sludge increased the phosphorus, calcium and zinc content in the soil. In thinning stands, the leaf nutrient concentrations were greater in trees grown under long term effect of sewage sludge; however, this effect was not sufficient to alter the growth of the trunk (in circumference). In coppice stands, the fertilization with 10 t ha-1 of dry sewage sludge had positive long term effect on the biomass production. In areas undergoing stand reform, the biomass accumulated by trees grown on long term effect of the sewage sludge was greater (150%) than the control. Furthermore, this effect of the sludge also brought positive impacts on nutrient cycling, due to an increasing in the leaf fall production. Under the long term effect of sewage sludge, the food plants accumulated 2 to 5 times more biomass than respective control treatments, especially if they are grown on the LVA. These plants also showed greater cadmium concentrations in the leaves, as well as greater chromium and nickel concentration in the roots. However, the concentrations of heavy metals didn\'t exceed the limits recommended by the Brazilian Health Surveillance Agency (ANVISA, by its acronym in Portuguese) in any of the crops.

Brachiaria é um gênero de forrageiras da família Poaceae que apresenta plantas que se reproduzem por via sexual e assexualmente por apomixia,reprodução por sementes. A apomixia desperta interesse biológico e biotecnológico, pela perspectiva de levar esta característica de clonagem de plantas via sementes, a outras espécies. As cultivares plantadas de B. brizantha cv. Marandu e B. decumbens cv. Basilisk são poliplóides e reproduzem-se por apomixia, enquanto as plantas sexuais são diplóides,o que inviabiliza os cruzamentos, dificultando sobremaneira o melhoramento. A transformação genética é uma estratégia que vem sendo incorporada ao melhoramento genético. A natureza apomítica destasplantas pode permitir a clonagem e estabilidade das plantas transgênicas. Para transformação genética é necessário o desenvolvimento de um método eficiente de regeneraçãoin vitro. B. brizantha é considerada recalcitrante a cultura de tecidos, e métodos eficientes associados com os sistemas de transformação genética ainda não foram descritos na literatura. O arroz (Oryza sativa) é uma Poaceae modelo para estudos de genética inversa, no entanto, cultivares tropicais do grupo japônica são recalcitrantes a transformação genética, como é o caso da cultivar Primavera. O método direto de transformação genética mais amplamente utilizado é a biobalística, e vem sendo aplicado em espécies de monocotiledôneas, uma vez que essas não são hospedeiros naturais de Agrobacterium tumefaciens. No entanto, vários fatores tem sido testados no sentido de favorecer a interação e transferência de genes durante a cocultura para obtenção de transgênicos em diversas espécies de monocotiledôneas. Os objetivos deste estudo foram obter sistemas de regeneração in vitro deB. Brizanthae de arroz cultivar Primavera para transformação genética destas espécies. Em B. brachiaria foram obtidos sistema de micropropagação, organogênese, calos embriogênicos, unidades embriogênicas e suspensões celulares, e para a cultivar Primavera de arroz foram obtidas unidades embriogênicas, que foram caracterizadas morfo-anatomicamente e quanto as condições de indução, multiplicação e regeneração in vitro. Métodos de expressão transiente e estável de genes marcadores foram estabelecidos para B brizantha via biobalística e Agrobacterium tumefaciens. A natureza da transgenia foi confirmada por métodos histoquímico e molecular como PCR e Southern blot. Os sistemas de regeneração e transformação obtidos mostraram-se eficientes e irão contribuir para os estudos da apomixia e introdução de genes de interesse em braquiária / Brachiaria is a genus of Poaceae family forage grass that reproduces by sexual and asexually by apomixis. Apomixis is of biological and biotechnological interest awakened by the prospect of bringing this feature of cloning plants through seed to other species. B. brizantha cv. Marandu and B. decumbens cv. Basilisk are polyploid and reproduce by apomixis, while the sexual plants are diploid, which makes the crosses, greatly hindering the improvement. Genetic transformation is a strategy that is being incorporated into breeding programs. The nature of these apomictic plants may allow the cloning and the stability of transgenic plants. For genetic transformation is necessary to develop an efficient method of in vitro regeneration. B. brizantha is considered recalcitrant to tissue culture, and efficient methods associated with the genetic transformation systems have not been described in the literature. Rice (Oryza sativa) is a Poaceae model for studies of reverse genetics; however, tropical cultivars from japonica group are recalcitrant to genetic transformation, such as Primavera cultivar. Biolistic is the genetic transformation direct method most widely used, and has been applied to species of monocots, since these are not natural hosts of Agrobacterium tumefaciens. However, several factors have been tested in order to promote interaction and gene transfer during coculture for obtaining transgenics in several monocots species. The objectives of this study were to obtain in vitro regeneration and genetic transformation systems for these species. In B. Brachiaria systemsfor micropropagation, organogenesis, embryogenic units and embryogenic cell suspensions were obtained, and forrice Primavera cultivar embryogenic units were obtained, which was morpho-anatomical characterized and in vitro induction, proliferation and regeneration conditions established. Methods for transient and stable gene expression have been acquired for B. brizanthavia biolistic and Agrobacterium tumefaciens. The nature of the embryogenic callus and transgenic plants was confirmed by histochemical and molecular methods such as PCR and Southern blot. The regeneration and transformation systems showed to be effective and will contribute to apomixis studies and introduction of genes of interest in B. brizantha

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The importance of hybrid rice is increasing because of its higher potential yield compared to n conventional varieties traditionally sown in southern Brazil. The SimulArroz model is a dynamic deterministic mathematical model that simulates the growth, development and grain yield in rice, but the current version of SimulArroz (version 1.0) does not contain the option for hybrid rice. The objective of this dissertation was to calibrate and evaluate the performance of SimulArroz model in simulating the number of leaves, phenology, dry matter accumulation and grain yield of three hybrid rice cultivars in Rio Grande do Sul State, Brazil. Field experiments were conducted in Santa Maria, and in research stations of the Instituto Rio Grandense do Arroz in Cachoeirinha, Uruguaiana, Santa Vitória do Palmar, Cachoeira do Sul, Bagé and Camaquã. The number of main stem leaves, based on the Haun scale, and phenology, based on the Counce scale, and also, plant samples were collected in Santa Maria and Cachoeirinha to determine the dry matter of shoots, leaves, culms, senescent leaves and grain yield. The SimulArroz model is calibrated and evaluated to simulate the number of leaves on the main stem, represented by Haun Stage, phenology, the total dry matter above ground, leaves, stems, senescent leaves and grain yield at 13 % moisture of three hybrid rice cultivars in Rio Grande do Sul. / O arroz híbrido vem ganhando importância por apresentar um potencial produtivo maior do que as cultivares convencionais tradicionalmente semeadas no Sul do Brasil. O modelo SimulArroz é um modelo matemático dinâmico determinístico que simula o crescimento, o desenvolvimento e a produtividade de grãos na cultura do arroz, no entanto a versão atual do SimulArroz (versão 1.0) não contém a opção de simulção para arroz híbrido. Assim, o objetivo nesta dissertação foi calibrar e avaliar o desempenho do modelo SimulArroz em simular o número de folhas, fenologia, o acúmulo de matéria seca e a produtividade de três cultivares de arroz híbrido no Rio Grande do Sul. Foram conduzidos experimentos de campo em Santa Maria, e nas estações regionais de pesquisa do Instituto Rio Grandense do Arroz de Cachoeirinha, Uruguaiana, Santa Vitória do Palmar, Cachoeira do Sul, Bagé e Camaquã. Foram determinados o número de folhas do colmo principal através da escala da Haun e a fenologia conforme a escala de Counce, e também, foram realizadas amostragens de plantas em Santa Maria e Cachoeirinha para determinar a matéria seca total da parte aérea, de folhas, de colmos, de folhas senescentes e produtividade de grãos. O modelo SimulArroz está calibrado e avaliado para simular o número de folhas no colmo principal, representado pelo Estádio de Haun, a fenologia, a matéria seca total da parte aérea, de folhas, de colmos, de folhas senescentes e a produtividade de grãos a 13% de umidade de três híbridos de arroz irrigado no Rio Grande do Sul.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The blast and the yellow leaf spot are the major rice and wheat, respectively, both are commonly found as for its destructive potential. Because of this, proving the efficiency of control methods through experiences is of paramount importance, since these results will be used as reference for technicians and producers. The precision is related to the choice of suitable design (local control), the number of repetitions, the sample size in the field, among others. In the case of control experiments involving fungicides, which is the main method of controlling both diseases, leaf sampling in installments is necessary because measuring the entire population becomes unviable. Sampling generates a new error (sampling) within the plot, and this should be minimized by appropriate sampling strategy. Thus, this study aimed to determine sample sizes needed to assess the severity of rice leaf blast and the yellow spot of wheat. For this reason, results of chemical control experiments performed during harvests and 2009/2010 2010/2011 were used. The procedure for collection and analysis of data was identical in all experiments, regardless of culture. In all, the diseases were measured at seven, 14 and 21 days after application of fungicides by sampling 10 leaves in the plots. The variables were disease severity and area under the disease progress curve (AUDPC). Data were subjected to analysis of variance to obtain the experimental and sampling errors, and so, by hypothesis test to check whether the sample dimension and the number of repetitions were adequate. The departure from randomness of variable severity was tested in order to determine whether the methodology used to calculate the sample size was adequate. The departure from randomness test showed that both diseases behaved were distinct, both among treatments between assessments, sometimes distributing randomly in the field, sometimes not. Thus, the combination of theoretical distributions (indicating random or clustered distribution of the disease in the field) to the formula used to calculate the sample size is inadequate. The sample size necessary to measure the average disease severity in the plots was not the same in all treatments and between assessments. This result is expected since, in most of the experiments, the average of the disease was different between treatments and between evaluations. This result leads to a constant change in the relationship between the variance and the mean, which is indicative of the disease in the field of dispersion, this dispersion that is related to the sample intensity. Finally it was observed that, to measure the average AUDPC variable, it is necessary to evaluate fewer leaves in the plots. / A brusone da folha e a mancha amarela são as principais doenças do arroz e do trigo, respectivamente, tanto por serem comumente encontradas quanto pelo seu potencial destrutivo. Devido a isso, a comprovação da eficiência de métodos de controle através de experiências é de suma importância, uma vez que estes resultados serão usados como referência por técnicos e produtores. A precisão experimental está relacionada com a escolha adequada do delineamento (controle local), do número de repetições, do tamanho da amostra na parcela, entre outros. No caso de experimentos de controle envolvendo fungicidas, que é o principal método de controle de ambas as doenças, a amostragem de folhas nas parcelas é necessária, pois mensurar toda a população torna-se inviável. A amostragem gera um novo erro (amostral) dentro da parcela, e este deve ser minimizado através de um dimensionamento amostral adequado. Deste modo, o presente trabalho teve por objetivo determinar tamanhos de amostra necessários para avaliar a severidade da brusone da folha do arroz e da mancha amarela do trigo. Para isso, foram utilizados resultados de experimentos de controle químico realizados durante as safras 2009/2010 e 2010/2011. O procedimento de coleta e análise dos dados foi idêntica em todos os experimentos, independente da cultura. Em todos eles, as doenças foram mensuradas aos sete, 14 e 21 dias após a aplicação dos fungicidas através da amostragem de 10 folhas nas parcelas. As variáveis estudadas foram a severidade das doenças e a área abaixo da curva de progresso das doenças (AACPD). Os dados foram submetidos a análise de variância para a obtenção dos erros experimental e amostral, e assim, através do teste de hipótese, verificar se o dimensionamento amostral e o número de repetições foram adequados. O afastamento da aleatoriedade da variável severidade foi testado com o objetivo de determinar se a metodologia utilizada no cálculo do tamanho da amostra foi adequada. O teste de afastamento da aleatoriedade mostrou que ambas as doenças comportaram-se de foram distintas, tanto entre os tratamentos quanto entre as avaliações, ora distribuindo-se de forma aleatória no campo, ora não. Desse modo, a associação de distribuições teóricas (que indicam distribuição aleatória ou agregada da doença no campo) à formula utilizada no cálculo do tamanho da amostra é inadequado. O tamanho de amostra necessário para mensurar a média da severidade das doenças nas parcelas não foi o mesmo em todos os tratamentos e entre as avaliações. Este resultado era esperado, uma vez que, na grande maioria dos experimentos, a média das doenças foi distinta entre os tratamentos e entre as avaliações. Este resultado levou a uma constante mudança na relação entre a variância e a média, que é um indicativo da dispersão da doença no campo, dispersão esta que esta relacionada com a intensidade amostral. Por fim observou-se que, para mensurar a média da variável AACPD, é necessário avaliar menos folhas nas parcelas. Deste modo, recomenda-se que, sempre que possível, utiliza-se a variável AACPD como forma de comparação entre os tratamentos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A caracterizaÃÃo, delimitaÃÃo e avaliaÃÃo das Ãreas afetadas por sais/sÃdio à de extrema relevÃncia para o PerÃmetro de IrrigaÃÃo de Morada Nova â Cearà podendo contribuir nas tomadas de decisÃes referentes à exploraÃÃo agrÃcola local. O sensoriamento remoto (SR) pode ser uma alternativa atraente para complementar o uso de mÃtodos tradicionais em funÃÃo de seu baixo custo, ampla cobertura espacial, frequÃncia temporal de aquisiÃÃo de imagens, visando possibilitar o mapeamento das Ãreas salinizadas. O presente trabalho teve como objetivo usar dados de SR no desenvolvimento de estratÃgias metodolÃgicas para identificar Ãreas com problemas de salinidade, visando avaliaÃÃes dos efeitos provocados no solo e na vegetaÃÃo. Inicialmente, foi usada espectroscopia de reflectÃncia de laboratÃrio para caracterizar e quantificar variaÃÃes na reflectÃncia e nas bandas de absorÃÃo espectrais em funÃÃo das alteraÃÃes da condutividade elÃtrica (CE) do solo, um indicador indireto de salinizaÃÃo. Amostras de Neossolos FlÃvicos (n =180) foram salinizadas com crescentes nÃveis de NaCl, MgCl2 e CaCl2. Metade das amostras foi tratada com gesso agrÃcola, um corretivo de salinizaÃÃo dos solos comumente utilizado na regiÃo. Espectros de reflectÃncia foram medidos ao nadir em ambiente controlado (laboratÃrio) usando o espectrÃmetro FieldSpec. As variaÃÃes de reflectÃncia e absorÃÃo foram avaliadas atravÃs da anÃlise por componentes principais (ACP) e da tÃcnica remoÃÃo do contÃnuo (RC), respectivamente, para solos tratados com gesso (TG) e nÃo tratados com gesso (NTG). Usando parte das amostras NTG (n = 62) e um conjunto de amostras independentes (n = 32), coletadas em vÃrios pontos dentro do perÃmetro irrigado, modelos preditivos foram desenvolvidos usando regressÃes lineares de bandas individuais do espectrÃmetro, Ãndice normalizado de salinidade (NDSI) e regressÃo por mÃnimos quadrados parciais (PLSR). Outra parte desse trabalho foi focada no uso de imagens multiespectrais (TM/Landsat-5 e OLI/Landsat-8) e hiperespectrais (Hyperion/EO-1). Usando o limiar 0,53 da imagem fraÃÃo solo obtida de um modelo de mistura espectral aplicado sobre os dados do sensor OLI (Setembro/2013) e informaÃÃes do comportamento temporal (1984-2011) do Ãndice de vegetaÃÃo por diferenÃa normalizada (NDVI) obtido do sensor TM, Ãreas de solo exposto foram avaliadas quanto à sua diferenciaÃÃo nas classes "salinizados" e "nÃo-salinizados". Na discriminaÃÃo desses alvos tambÃm foram usados Ãndices de salinidade e ACP obtidos de dados dos sensores OLI e Hyperion. Com dados desses dois sensores, tambÃm foi averiguada a capacidade de Ãndices multiespectrais e hiperespectrais de vegetaÃÃo em identificar e caracterizar o estresse salino em dossÃis de arroz. Foram usadas regressÃes lineares para descrever a relaÃÃo entre os Ãndices e a CE do solo. A espectroscopia de laboratÃrio revelou que as amostras NTG apresentaram uma diminuiÃÃo na reflectÃncia e brilho com a salinizaÃÃo usando CaCl2 e MgCl2 e um aumento usando NaCl. O gesso aumentou a reflectÃncia do solo e foi determinante para a apariÃÃo da banda de absorÃÃo em 1750 nm nos espectros das amostras TG. As bandas de absorÃÃo mais importantes verificadas nos espectros salinizados foram observadas em 1450, 1950 e 1750 nm. O modelo preditivo desenvolvido com NDSI (R2 = 0,84), a partir de bandas do espectrÃmetro posicionadas prÃximas a 1900 nm, apresentaram resultados superiores aos modelos de reflectÃncia de bandas individuais (R2 = 0,50). No entanto, foi o PLSR (R2 = 0,88) usando todas as bandas espectrais do espectrÃmetro que apresentou os melhores resultados da modelagem sugerindo que, quanto maior o nÃmero de informaÃÃes espectrais usadas, maior à a capacidade de previsÃo dosmodelos. Com os dados do OLI foram observadas boas correlaÃÃes do Salinity Index (SI) (r = +0,84) e da primeira componente principal (CP1) (r = +0,83) com a CE do solo. Uma forte correlaÃÃo (r = +0,77) tambÃm foi observada a partir da CP1 dos dados Hyperion. Em condiÃÃes de campo, os espectros de reflectÃncia e a ACP indicaram que Ãreas com maiores CE possuem maior brilho em relaÃÃo Ãs demais Ãreas nÃo-salinizadas e isso possibilita o uso de dados dos dois sensores para discriminar solos expostos salinizados de nÃo salinizados. Para dossÃis de arroz, a reflectÃncia no infravermelho prÃximo (NIR) e infravermelho mÃdio (SWIR) foi reduzida com o aumento da CE do solo. Jà na regiÃo do vermelho, o estresse salino provocou um aumento de reflectÃncia. Isso favoreceu aos bons resultados apresentados pelo NDVI (R2 = 0,68) e Enhanced Vegetation Index (EVI) (R2 = 0,70) obtidos do sensor OLI para caracterizar a resposta espectral do arroz sob diferentes CE do solo. Os Ãndices hiperespectrais mais promissores foram o Salinity and Water Stress Index (SWSI1) (R2=0,70) e Ãndice do Estresse Salino para Arroz (IESA) (R2=0,59), que sÃo combinaÃÃes de faixas espectrais relacionadas à clorofila e à absorÃÃo de Ãgua e/ou estresse hÃdrico. No geral, o estudo mostrou que o SR tem um bom potencial de aplicaÃÃo para detectar e caracterizar Ãreas salinizadas. O uso de imagens à bastante promissor, porÃm informaÃÃes obtidas com espectroscopia de laboratÃrio sÃo necessÃrias para subsidiar o entendimento das particularidades de caracterÃsticas espectrais dos alvos. / The characterization, delineation and assessment of areas affected by salt/sodium is extremely important for the Irrigation Perimeter of Morada Nova â Cearà and can contribute in decision-making processes on local farming. Remote sensing (RS) is an attractive alternative to traditional methods of soil salinization studies due to its low cost, spatial coverage and temporal frequency of image acquisition. It may provide a fast and non-destructive mapping of the salinized areas. This study aimed to use RS data in the development of methodological strategies to identify areas with salinity problems allowing a preliminary assessment of salt effects on soil and vegetation. Initially, we used laboratory spectroscopy to characterize and quantify variations in reflectance and spectral absorption bands as function of the changes in electrical conductivity (EC) of the soils. Neossolos samples (n = 180) were salinized in laboratory with increasing concentrations of NaCl, MgCl2 and CaCl2. Half of them were previously treated with gypsum. Reflectance spectra were measured at nadir viewing in a controlled laboratory environment using the FieldSpec spectrometer. Variations in reflectance and absorption bands attributes were evaluated by using principal component analysis (PCA) and the continuum removal (CR) technique, respectively, for soils treated with gypsum (TG) and non-treated with gypsum (NTG). Using soil samples of NTG (n = 62) and a set of independent samples (n = 32) collected from various sites within the irrigated perimeter, predictive models were developed using linear regressions of individual bands, the normalized salinity index (NDSI) and partial least squares regression (PLSR). Another part of this work was focused on the use of multispectral images (TM/Landsat-5 and OLI/Landsat-8) and hyperspectral (Hyperion/EO-1). Using the 0.53 threshold over the soil fraction image from the spectral mixture model applied to the OLI data (September, 2013) and information on the temporal behavior (1984-2011) of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) obtained from the TM sensor, exposed soils were evaluated for their differentiation in the saline and non-saline classes. For the discrimination of these classes and salinity levels, PCA was applied to OLI and Hyperion data. By using data from these two sensors, the ability of multispectral and hyperspectral vegetation indices to identify and evaluate salt stress in rice canopies was investigated. Linear regressions were used to describe the relationship between the indices and soil EC. Results from laboratory reflectance spectroscopy showed that NTG samples presented a decrease in reflectance and brightness after salinization with CaCl2 and MgCl2, and an increase of them after salinization with NaCl. Gypsum increased the soil reflectance and was crucial to the appearance of the absorption band at 1750 nm in the TG samples. The most important spectral features were observed in salinized spectra at 1450, 1950 and 1750 nm. The predictive model developed with NDSI (R2 = 0.836) from bands positioned close to 1900 nm showed the best results when individual bands were considered in the analysis (R2 = 0.50). However, PLSR (R2 = 0.883) using all the spectral bands showed the best model suggesting that the greatest number of bands produced the largest predictive power for the models. Using information from the OLI, statistically significant correlations of the Salinity Index (SI) (r = 0.84) and first principal component (PC1) (r = 0.83) with the soil EC were obtained. A significant correlation (r = 0.77) was also observed with the PC1 of Hyperion data. Under field conditions, the spectral profiles and PCA indicated that areas with higher EC had also greater brightness relative to the non-salinized areas, which enabled the use of data from the two sensors to discriminate the exposed salinized soils from the non-salinized ones. For rice, canopy reflectance in the near infrared (NIR) and shortwave infrared (SWIR) was reduced with increasing soil EC. In the red spectral region of chlorophyll absorption, the salt stress caused a slightly reflectance increase. This explained the good results presented by NDVI (R2 = 0.68) and Enhanced Vegetation Index (EVI) (R2 = 0.70) obtained from the OLI sensor to characterize the spectral response of rice under different soil ECs. The most promising hyperspectral indices were the Salinity and Water Stress Index (SWSI1) (R2 = 0.70) and Saline Stress Index for Rice (IESA) (R2 = 0.59), which are combinations of regions related to chlorophyll regions with absorption of water that vary with water stress. Overall, this study showed that the RS has a good potential to detect and characterize salinization areas. The use of images is very promising, but information obtained from laboratory spectroscopy provides the necessary understanding of the particularities of spectral characteristics of the saline soils.