Noûsciber : sistema para o reconhecimento de padrões neurobiológicos de plantas e suas relações com o ambiente

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Eduardo Maciel Haitzmann dos
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/73757
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Danilo Eduardo Rozane
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spelling Santos, Eduardo Maciel Haitzmann dosUniversidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Agrárias. Programa de Pós-Graduação em Ciência do SoloRozane, Danilo Eduardo2022-08-04T19:21:40Z2022-08-04T19:21:40Z2021https://hdl.handle.net/1884/73757Orientador: Prof. Dr. Danilo Eduardo RozaneTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 18/02/2021Inclui referênciasÁrea de concentração: Solo e ambienteResumo: Os vegetais são organismos complexos capazes de gerenciar uma infinidade de fatores ambientais para o seu desenvolvimento. As plantas respondem prontamente às variáveis locais, como as mudanças na intensidade luminosa, a temperatura, a disponibilidade de água, os elementos químicos do solo, a ocorrência de ataque de pragas e patógenos, entre outros. Segmentos específicos das ciências biológicas, como a neurobiologia vegetal, têm chamado atenção e gerado muita discussão entre cientistas. Muitos trabalhos científicos indicam que as plantas apresentam um sistema inteligente, bastante sofisticado, equivalente às redes de comunicação celular dos animais (sistema nervoso), com a capacidade de perceber o ambiente e a controlar atividades biológicas por comandos bioelétricos. Partindo da premissa de que plantas possuem estruturas similares ao sistema nervoso, com o Projeto Noüsciber buscou-se compreender desde os processos relacionados à absorção de nutrientes até a forma como as plantas respondem aos estímulos externos. Os estudos abordaram três esferas de análise, definidas por entradas sistemáticas, caixa-preta (ou unidade lógica) e saídas do sistema. A esfera correspondente as entradas englobou as características morfológicas das plantas com os parâmetros cinéticos e os processos de influxo, sendo apresentados métodos para a análise dos dados e o registro do comportamento da planta na absorção de nutrientes durante dias seguidos. Na esfera das saídas, avaliou-se os teores de nutrientes no tecido foliar utilizando o método da Diagnose da Composição Nutricional (CND), para a determinação do equilíbrio dos elementos, projetado em 52 cenários parametrizados contendo arranjos com combinações e tamanhos variados. Para a esfera da caixa-preta, foram registradas as atividades de assimilação de nutrientes na forma de sinais ou pulsos mecânicos, apontando possíveis relações com os potenciais de ação, as condições ambientais e as participações de estruturas vegetais como as membranas e os vacúolos. Independente de tratamento, os resultados dos estudos revelaram que plantas fenotipicamente semelhantes apresentaram incompatibilidade na administração dos elementos das soluções nutritivas, divergindo no ritmo, na frequência, no período (atividade diurna e noturna) e na intensidade de absorção. Com a produção de um sistema procedimental constituído de modelos matemáticos robustos, foi possível identificar o momento em que os sinais mecânicos apresentaram maior intensidade, permitindo determinar os horários mais apropriados para a tipificação do comportamento fisiológico das plantas. A análise da dinâmica dos elementos no tecido vegetal, evidenciou a importância de uma base de dados coesa, sendo a delimitação da amostragem e a relação entre os parâmetros avaliados condições essencialmente relevantes para a determinação das demandas nutricionais das plantas. A aplicação de processo de aprendizado de máquina para a validação dos resultados obtidos em todas as variantes da norma CND mostrou que base de dados com menor variabilidade foram mais eficientes para a caracterização da qualidade produtiva das plantas. A compreensão dos processos fisiológicos responsáveis pela nutrição mineral das plantas exige uma investigação aprofundada, devendo considerar não apenas as atribuições dos mecanismos associados, como também a participação dos componentes de cada processo em subsistemas integrados ou distribuídos.Abstract: Vegetables are complex organisms capable of managing a multitude of environmental factors for their development. Plants readily respond to local variables such as changes in light intensity and temperature, water availability, the presence and attack of pests and pathogens, and chemical elements in the soil. Specific segments of biological sciences, such as plant neurobiology, have drawn attention and generated much discussion among scientists. Many scientific works indicate that plants have a very sophisticated intelligent system, equivalent to the cellular communication networks of animals (nervous system), with the ability to perceive the environment and control biological activities by bioelectrical commands. Starting from the premise that plants have structures similar to the nervous system, the Noûsciber Project sought to understand the processes related to the absorption of nutrients to how plants respond to external stimuli. The studies addressed three spheres of analysis, defined as systematic inputs, black box (or logical unit), and system outputs. The sphere corresponding to the inputs encompassed the morphological characteristics of the plants with the kinetic parameters and the influx processes, with methods for data analysis and the record of the plant's behavior in the absorption of nutrients during consecutive days. The sphere of the outputs consisted of evaluating the nutrient content in the leaf tissue by the Compositional Nutrient Diagnosis method (CND) to determine the balance of the elements, projected in 52 parameterized scenarios containing arrangements with different combinations and sizes. For the black box sphere, nutrient assimilation activities were recorded in the form of mechanical signals or pulses, pointing out possible relationships with action potentials, environmental conditions, and the participation of plant structures such as membranes and vacuoles. Regardless of treatment, the results of the studies revealed that phenotypically similar plants showed incompatibility in the administration of the elements of the nutrient solutions, diverging in rhythm, frequency, period (daytime and nighttime activity), and intensity of absorption. With the production of a procedural system consisting of robust mathematical models, it was possible to identify the moment when the mechanical signals showed greater intensity, allowing to determine the most appropriate times for typifying the physiological behavior of the plants. The analysis of the dynamics of the elements in the plant tissue showed the importance of a cohesive database, with the delimitation of the sampling form and the relationship between the evaluated parameters being essentially relevant conditions for determining the nutritional demands of plants. The application of the machine learning process to validate the results obtained in all variants of the CND norms showed that databases with less variability were more efficient for characterizing the productive quality of plants. Understanding the physiological processes responsible for the mineral nutrition of plants requires in-depth investigation, considering not only the attributions of the associated mechanisms but also the participation of the components of each process in integrated or distributed subsystems.1 recurso online : PDF.application/pdfEletrofisiologiaPlantas - NutriçãoParametros cinéticosCiência do SoloNoûsciber : sistema para o reconhecimento de padrões neurobiológicos de plantas e suas relações com o ambienteinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - EDUARDO MACIEL HAITZMANN DOS SANTOS.pdfapplication/pdf3229339https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/73757/1/R%20-%20T%20-%20EDUARDO%20MACIEL%20HAITZMANN%20DOS%20SANTOS.pdf6b04777fff1e7019f978d6e9ce7db507MD51open access1884/737572022-08-04 16:21:40.841open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/73757Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-08-04T19:21:40Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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