日常接种体水平的预测模型赤霉菌属菌在帕苏风杜,巴西

文摘

孢子的沉积赤霉菌属菌的因果代理镰刀菌素枯萎的小麦,监控2008 - 2011年期间,在帕苏风杜,RS、巴西。抽样进行了31天在小麦开花。殖民地形成的数量都与气象相关的变量。在这项研究中,使用层次二进制数据自回归模型。协变量模型与一个二进制响应变量对潜在而依赖会计在离散时间点上。本文提出的方法对模型参数推断和预测在未来的时间点使用马尔可夫链蒙特卡罗(密度)。开发模型似乎有高度的准确性和可能影响疾病控制和风险管理计划。

1。介绍

小麦(小麦l .)是一种重要的作物在巴西特别是在南方:不断增长的领域是建立在美国的南里奥格兰德,圣卡塔琳娜州,巴拉那河。在这个亚热带地区,气候条件在作物生长季节忙叶和开花疾病的发生1]。通常,两到三个杀菌剂的应用程序可能需要控制这些疾病,从而增加生产成本(2]。

在小麦疾病,镰刀菌素头枯萎病(FHB)已经在许多生产地区作物增加了压力。除了粮食产量损失和减少烘焙和种子质量、主要危险的污染是由于FHB粮食与有毒真菌次生代谢产物称为真菌毒素。最常见的真菌毒素是单端孢霉烯如deoxynivalenol(唐)和nivalenol (NIV)。保护消费者免受霉菌毒素中毒病,许多国家,包括巴西、建立了最大允许的最普遍的水平镰刀菌素真菌毒素在谷物和谷物产品(3]。

疾病的主要因果代理赤霉菌属菌(Schwein)。Petch(鉴定镰刀菌素graminearum施瓦贝)[4,同宗配合的真菌生存土壤在主机的碎片。剂是由分散的子囊孢子和macroconidia雨飞溅和风力,降落在小麦头和感染植物在开花和籽粒灌浆阶段(5]。FHB全球分布虽然疫情的严重程度是受当地天气条件影响(6]。更广泛的采用最小和没有耕作,短的旋转与玉米和全球气候变化和改变是中央在辩论中重新崛起的原因和疾病在世界范围内的扩张7]。

在巴西,与世界其他地区类似,越来越严重的频率FHB疫情已报道在过去二十年中(尤其是在1990)导致严重的产量损失(1,8,9]。没有小麦品种对FHB免疫和抵抗通常是由多个基因控制温和的/弱效应和它们基因定义为数量性状位点(QTL)定位。除了这些,真菌毒素影响生产在世界各地,能够预测FHB,也和其他真菌毒素污染同比减少生产者的风险是很重要的。由于这些危险的后果减少全球小麦产量和品质,计算机模型,根据天气变量(温度、降水和湿度),开发了预测的可能性发生FHB和不污染小麦(10]。

培养液量化是一个重要的步骤在基于过程的模型开发11]。它已经表明,降水和温度等气象因素高度相关的大气中接种体密度(12- - - - - -15]。为此统计模型进行了基于线性回归的使用技术或其他归纳。二进制数据模型的响应时,培养液发病率等数据拟合与广义线性模型基于分对数链接函数(16)已被证明是最拨款。然而,当数据被收集在连续时间点如每天或每小时,这可能是相关的,在这种情况下一个自回归结构,特别是AR(1),可以用来解决数据的相关性。提出的这种方法的例子是(17- - - - - -19]。

本研究探讨气候变化的潜在影响日常沉积的水平g菌使用层次物流模型技术繁殖体。我们的目标是建立一个统计模型的孢子沉积,可以用来计算FHB感染的概率随着小麦物候学的进步从标题到软面团阶段。在这个框架中,我们的目标是,在未来,与FHB感染的风险在麦田的培养液,主机物候学、敏感性,和天气因素。

2。材料和方法

2.1。研究区域

帕苏风杜位于美国国务卿中部地区,北部的南里奥格兰德,巴西(纬度28°15′00′′年代,经度52°25 12′′′W,海拔684米)(图1)。该地区是在巴西的主要小麦产区之一。

2.2。数据收集

孢子沉积模式在2008年到2011年被监控。每个样本时期被称为小麦生长季节的环境。连续样本期覆盖31天的间隔从9月15日开始。培养皿(90毫米直径;表面积)包含镰刀菌素有选择性的媒体(FSM)用于样本可行的孢子g菌从空气中。修改的FSM由Nash-Snyder配方,准备所描述的(20.]。板被安装在风力取样器之前使用的(12]。两个晚上九点每日9点采样的执行和h。使用天视为开始和结束在格林尼治时间9小时气象数据的一致性。盘子被暴露在两个时期12 h,夜晚和白天抽样。暴露于环境后,盘子被运送到实验室,孵化在生长箱(25°C和12 h(黑暗)为了促进真菌的生长。殖民地的g菌根据颜色和形态被确定。可疑病例转移到培养皿中包含PDA(马铃薯葡萄糖琼脂)与确认正确g菌殖民地。的数量g菌殖民地被记录为每个板CFU(集落形成单位)。其他镰刀菌素物种也被观察到,但没有确定在物种水平。板被放置,在当地气象站的网站,在绿草覆盖的地面120厘米以上。

每天天气数据组成的最高和最低温度(°C),总降水(毫米),日照时数(h)和平均相对湿度(%)。国家气象研究所提供的数据(INMET)。

2.3。数据分析

记录从孢子取样器被用作日常值(两个12小时的时间之和),表示为每天观察孢子的比例。每个培养皿的最大菌落数是固定到60由于操作限制(视觉识别精度在殖民地)以这种方式的最大计数每一天是120年。数据集由93个观测变量的兴趣是一个二进制的指标值在0 - 1在时间范围。对气候变量,每个观测都集中在气候正常代表普遍的天气条件下计算的30年(1961 - 1990)在帕苏风杜预处理步骤改进模拟稳定和强劲的序列相关性内在环境数据占顺序登记。例如在某一天的总降水量观测是25毫米,所以调整值计算6.2317的值对应于降水平均在9月和10月的月帕苏风杜的气候正常。

我们安装一个层次二进制数据自回归模型(HARBDM)数据。模型开发是基于从一个综合的方法19,21,22使用可用的免费软件WinBUGS [23]。统计分析和图形在R (24)使用包R2WinBUGS [25]。我们运行了仿真与10000年交互,在3链,丢弃前5000。链的收敛性进行了测试使用Gelman-Rubin方法(26]。然后我们百分位数5,50,95%来自仿真结果得到参数估计和信誉的间隔。孢子发病率、中值的概率密度,是安装在一个β分布。

密度(马尔可夫链蒙特卡罗)方法27采用模拟从完整的后验分布。更新是通过使用获得的吉布斯采样器(28,29日]。吉布斯采样器的状态向量分割成许多组件和更新每个由一系列的吉布斯过渡。后验概率估计发病率的孢子在某一天的上下文中获得集团(年)。

2008 - 2010年的数据被用来构建模型和2011年的数据来验证模型。

2.3.1。数据模型

模型的函数形式如下所示:

在(1我们使用术语多年(2008 - 2010)和几天后(1 - 31)15^th9月。

3所示。结果与讨论

共有93个采样天是包括在这项研究。在2076年抽样时间g菌殖民地被积累。最低数量的殖民地(343)在2010年被记录。孢子出现在86年的93天。总结每个依赖和独立变量的统计数据如表所示1。雨天的数量在今年,分别,14、15日和13所示。

视觉观察图2显示,气候变化和的数量g菌孢子在空气似乎是相关的。相对湿度和雨都积极与孢子发病率相关,而阳光小时负相关。温度振幅似乎弱与孢子发病率有关。

均值和中位数的值g菌发病率非常类似于2008年和2009年,但在2010年所观察到的对比(表1)。

沉积的监控g菌孢子通过培养皿中包含有选择性的媒体提供的估计水平培养液在空中的帕苏风杜区。是严重镰刀菌素在研究期间发生疫病流行。因此,监测孢子的策略g菌通过不同的小麦生长季节成功获取数据镰刀菌素头疫病流行,nonepidemic年。在每个采样周期,镰刀菌素头枯萎病发病率约100%的峰值影响范围从痕迹。小麦的季节2008、2009和2010帕苏风杜地区分类,分别高度流行,nonepidemic流行。巧合的是,ENSO阶段在每个时期与“中立”,“温暖”和“冷”,分别。这是在协议与报告(9]FHB流行病可能是更严重的“中立”和“温暖”比“冷”的阶段,在这个世界的一部分。

模型构建与数据2008年9月15日至10月15日,2009年和2010年分别被用来预测的密度g菌帕苏风杜的孢子在空气中。在表2估计参数的集团因素(年)偏离气候正常。在这种情况下,我们可以看到,一天没有偏离正常,FHB发病率的概率,表示对应,每一天,至0.18,0.20,和0.06,分别。相关指数()(表2天之间)在2008年和2009年- 2010年,是积极的。

在表3规模参数可以用来估计每日培养液为一个特定的水平。例如在帕苏风杜,在年低于割点(7.0),警报moderate-severe状态可以被设置在疾病监测系统。否则,这些参数(,)可以作为修道院信息贝叶斯模型框架。

另一个测量感兴趣的是优势比(表4)代表的增加发病率由每个单元偏离从模型中变量的变化。

调整后的模型(图中显示3),然后验证实际的观察(图4)。验证分析表明,模型在预测精度合理期间,即使在天9预计上涨远落后于实际的高峰。

孢子沉积机制是由雨滴重力和擦洗对孢子沉积(以随机的方式作出贡献,30.]。湿沉积变得相对更重要的是随着孢子之源的距离的增加,因为干沉积往往是有限的孢子在地面附近,而湿沉积可以横扫整个深度的孢子孢子云。例如,子囊孢子的很大一部分秦冠收集在小时降雨率小于0.25毫米的h (31日]。

因此,它是可能的误差范围预测孢子沉积,在我们的工作,是由于我们使用每日总降雨量模型代替实际降雨时间课程。

另一个可能的解释将属于包空气(空气密度低的局部地区或下行气流),解决那些日子里含有更高的孢子数量由于早期大量孢子释放的起源在逆风的方向,也许在相当远的距离。

我们开发的模型介绍了机载孢子的沉积概率根据天气因素。在这项研究中,HARBD模型用于这个试图开发一个g菌孢子密度预测系统,提高我们的能力来预测FHB爆发。开发模型似乎有高度的准确性和可能影响疾病控制和风险管理计划。

必须承认,这项研究的弱点。首先,这是一个广泛的评估气候变化和孢子的发病率之间的关系g菌在一个位置。更详细的风险评估在地区和农场水平也可能要求如果一个全面和系统的风险评估。包含其他信息(例如,作物管理、碎秸特征,和其他fungal-relevant环境信息)可以进一步改善模型。第二,模型可能只适用于帕苏风杜和地区类似的气候背景,因为只有本地数据被用于模型的建设。

4所示。结论

自回归模型是一个有用的工具,解释和应用到当地的植物病害控制措施。一旦取得一个令人满意的模型,它可以用来预测未来预期数量的情况下,对于一个给定数量的时间间隔。自HARBD预测模型有能力预测可能发生疫情时,因此很有可能作为决策支持工具的战术和战略建议FHB管理。

基于信息模型,我们可以建立一个低阈值的概率FHB发病率为0.20。

在未来,这个模型的组合与感染过程模型可能会导致一个复杂但更完整的模型。合并后的模型可能是有用的量化FHB流行病对小麦产量和品质的影响。可靠的流行预测系统的开发应该FHB管理中发挥着重要的作用,特别是,如果与预期了天气预报。应该爆发的FHB发生,农场规模干预通常是必需的。基于预测预警模型可以帮助改善FHB控制。增加杀真菌剂喷洒在高危期和减少它在低风险的时期将提高成本效率的操作。作物顾问,如果预期FHB更高风险的发生,可以提高警惕,例如,通过提醒农民,计划用于杀菌剂喷洒和准备处理问题区域。这些尝试,如果成功的话,可能会显著影响小麦的决策和实践,并可能帮助农民更有效地使用资源。

引用

1. j·m·c·费尔南德斯”doencas das足底e o sistema plantio direto,”Revisao Anual de Patologia de足底5卷,第352 - 317页,1997年。视图:谷歌学术搜索
2. e . c . Picinini j·m·c·费尔南德斯J.C. Ignaczak, i、“Impacto期中uso做fungicida propiconazole na文化做小麦(小麦),“Fitopatologia Brasileira,21卷,不。3、362 - 368年,1996页。视图:谷歌学术搜索
3. 惠普Van Egmond、r . c . Schothorst和m·a·彼特”相关规定食品中真菌毒素:观点在全球和欧洲的背景下,“分析和分析化学,卷389,不。1,第157 - 147页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. f . Angelotti D.J. Tessmann T.C.A.阿尔维斯,J.B.维达,D.S.J.球场,和r . Harakava Caracterizacao morfologica e identificacao分子de isolados de镰刀菌素graminearumassociados giberela做小麦e黑小麦没有巴西南,“总结Phytopathologica32卷,第179 - 177页,2006年。视图:谷歌学术搜索
5. k . h . s .裴伟士m . o . Pumphrey y, e . b . Maghirang w . Berzonsky f·e·道,“近红外光谱识别的方法镰刀菌素头破坏损伤和预测deoxynivalenol在单一的麦粒,”谷物化学,卷87,不。6,511 - 517年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. d·s·马歇尔“疾病挑战全球小麦production-powdery霉,叶子,和头部严重,”小麦:科学和贸易第七章,第170 - 155页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m·麦克伦r·琼斯,d . Gallenberg“痂的小麦和大麦:重现毁灭性的疾病的影响,“植物病害,卷81,不。12日,第1348 - 1340页,1997年。视图:谷歌学术搜索
8. e . Panisson e·m·里斯和w·鲍勒”Quantificacao de丹诺斯causados佩拉giberela em cereais de inverno na - 2000 em帕苏风杜,RS,”Fitopatologia Brasileira,28卷,不。2、189 - 192年,2003页。视图:谷歌学术搜索
9. e·黛儿•庞特·m·j·m·c·费尔南德斯w .孔雀舞,和w·e·Baethgen”的基于模型的评估气候变化的影响镰刀菌素头疫病季节性巴西南部的风险。”植物病理学杂志,卷157,不。11 - 12,675 - 681年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. a . Prandini s Sigolo l .菲利皮主持p . Battilani和g . Piva”审查的预测模型镰刀菌素枯萎病和相关的真菌毒素污染的小麦,“食品和化学毒物学卷,47号5,927 - 931年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. e . d . De狼和s . a . Isard“疾病周期的植物病害预测方法,”年度回顾的植物病理学,45卷,第220 - 203页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. Quantificacao de propagulos德·e·m·里斯。赤霉菌属菌没有ar atraves de armadilhas de esporos。”Fitopatologia Brasileira,13卷,不。4、1988。视图:谷歌学术搜索
13. g . l . Francl g•沙纳Bergstrom et al .,“每日培养液的水平赤霉菌属菌对小麦上涨。”植物病害,卷83,不。7,662 - 666年,1999页。视图:谷歌学术搜索
14. e·黛儿•庞特·m·j·m·c·费尔南德斯和c r . Pierobom”影响空气密度的因素赤霉菌属菌剂”,Fitopatologia Brasileira,30卷,不。1,则高达55 - 2005页。视图:谷歌学术搜索
15. 诉罗西,l . Languasco e . Pattori空气动力学和美国入内。镰刀菌素macroconidia麦田自然受到头枯萎病的影响,“植物病理学杂志,卷84,不。1,53 - 64年,2002页。视图:谷歌学术搜索
16. j . a . Nelder和r·w·m·Wedderburn“广义线性模型,”英国皇家统计学会杂志》上。一个系列,第384 - 370页,1972年。视图:谷歌学术搜索
17. a . Azzalini”逻辑回归autocorrelated数据与应用程序重复措施,”生物统计学,卷81,不。4、767 - 775年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. K.Y.梁和S.L. Zeger”,纵向数据分析的连续和离散响应张后设计,“Sankhyā:印度杂志》的统计,系列B,第148 - 134页,2000年。视图:谷歌学术搜索
19. j·s·k·陈,“自回归二元回归初期的问题。”皇家统计学会杂志》系列D卷,49号4、495 - 502年,2000页。视图:谷歌学术搜索
20. d . g . Schmale j·f·莱斯利·k·a·西a . a .萨利赫e . j .盾牌和g·c·Bergstrom大气种群的遗传结构赤霉菌属菌”,植物病理学,卷96,不。9日,第1026 - 1021页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. s . l . Zeger m·r·卡里姆,“广义线性模型与随机存在吉布斯抽样方法,”美国统计协会杂志》上,卷86,不。413年,第86 - 79页,1991年。视图:谷歌学术搜索
22. s·g·沃克和b . k . Mallick”层次广义线性模型和脆弱模型与贝叶斯非参数混合”英国皇家统计学会杂志》上。B系列卷,59号4、845 - 860年,1997页。视图:谷歌学术搜索
23. d . j . Lunn A托马斯:最好的,和斯皮格尔霍尔特d,“WinBUGS -贝叶斯建模框架:概念,结构,和可扩展性,”统计和计算,10卷,不。4、325 - 337年,2000页。视图:谷歌学术搜索
24. r .开发核心团队,接待员:统计计算的语言和环境,R统计计算的基础,维也纳,奥地利,2011年。
25. 美国Sturtz, Ligges, a >“运行WinBUGS R2WinBUGS:一个包从R,”杂志的统计软件,12卷,货号。3,硕士论文,2005页。视图:谷歌学术搜索
26. a > d·b·鲁宾,“从迭代模拟使用多个序列推断。”统计科学,7卷,不。4、457 - 472年,1992页。视图:谷歌学术搜索
27. w·k·黑斯廷斯,”使用马尔可夫链蒙特卡罗抽样方法及其应用”生物统计学卷,57号1,第109 - 97页,1970。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 美国德国造d .德国造,“随机放松、吉布斯分布和贝叶斯重建图像,”IEEE模式分析与机器智能》第六卷,没有。6,721 - 741年,1984页。视图:谷歌学术搜索
29. a·e·盖尔芬德和a·f·m·史密斯,“Sampling-based边际密度计算方法,”美国统计协会杂志》上,卷85,不。410年,第409 - 398页,1990年。视图:谷歌学术搜索
30. d . e . Aylor和r·k·Kiyomoto”空中的浓度之间的关系、秦冠苹果黑星病的子囊孢子和发展,“农业和森林气象学,卷63,不。3 - 4、133 - 147年,1993页。视图:谷歌学术搜索
31. d·e·Aylor t·b·萨顿et al .,“释放秦冠子囊孢子在非定常雨:孢子运输和淀积的关系,“植物病理学,卷82,不。5,532 - 540年,1992页。视图:谷歌学术搜索

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