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Every year, crop diseases cause devastating losses in agricultural production, threatening the food security and livelihoods of millions of farmers. In the heart of the Alentejo, an innovative project is using the power of genomics to help combat these invisible threats. The AlViGen Project, with the participation of InnovPlantProtect researchers Rute Rego and João Bilro, is paving the way for a new era of crop surveillance and protection.

The Problem and the Solution

“Yellow rust on wheat and gafa in olive groves are real scourges for farmers,” explains Rute Rego, a researcher at AlViGen. “These diseases can wipe out entire harvests, leading to severe economic losses and compromising food quality.”

But AlViGen isn't just observing the problem. The team is using cutting-edge technology to detect and identify the strains of fungi that cause these diseases, long before the symptoms become visible.

“We use traps to collect spores that circulate in the air,” continues Rute. “These traps allow us to monitor the presence of fungi in real time, which gives us an important advantage in preventing infections.”

But the magic happens in the laboratory, where the team extracts DNA from the spores and carries out advanced genomic analysis using powerful DNA sequencing technology based on the metabarcoding, The Nanopore portable sequencer is a state-of-the-art technology.

Rute Rego, InnovPlantProtect researcher, analyzes samples of the fungus that causes gafa, as part of the AlViGen project.

Unlocking the genetic code of fungi

To explain more about metabarcoding and its advantage for detecting the presence of species or strains of fungi that cause diseases in crops, the researcher gives the example of a bag full of different types of grain: rice, beans, corn, which is being analyzed by the reader. “Metabarcoding is like putting a unique label (a ‘barcode’) on each type of grain. You can then mix all the grains into a single sample and, by reading the labels, you can identify the amount of each type of grain present.”

In the case of AlViGen, this technique makes it possible to analyze multiple species of fungi at the same time (in multiple samples), each with its own genetic ‘barcode’ and “identify exactly which fungi are present, even in small quantities”, explains the researcher.

And what is the practical impact of this method for monitoring and predicting the disease? The researcher of the AlViGen project is able to identify, with high precision, the moment when the pathogen begins to appear in the field, which makes it possible to alert farmers in real time to the risk of the disease. Producers can adopt preventive measures and apply the necessary products to avoid infection, contributing to a rapid and effective response to disease prevention.

The Timeline of Fungal Evolution

AlViGen's research is not limited to identifying microorganisms that damage crops; it also seeks to understand their evolution and diversity. João Bilro, another researcher on the project, is studying the phylogeny of the fungus Colletotrichum, This is a microorganism responsible for causing gafa or anthracnose, a disease that affects olive groves in Portugal. This disease mainly affects the olives, which compromises the quality of the oil.

“Phylogeny is crucial to understanding how the different strains of Colletotrichum are related and how they have evolved over time,” explains João. “Just as a family tree traces the history of a family, showing how the members are related to each other, phylogenetic trees reveal the evolutionary relationships between the different strains of this fungus. Each branch of the tree represents an evolutionary lineage, and the nodes indicate common ancestors. By comparing the DNA sequences of these strains, we can reconstruct their evolutionary history, identifying which ones are closer or more genetically distant, and thus infer characteristics such as virulence or resistance to fungicides,” he reveals.

This knowledge allows researchers to identify patterns of spread and adaptation of the fungus, which is fundamental to developing more effective strategies to contain and/or reduce the damage this fungus causes to Portuguese olive groves.

“One of the challenges of our research is the great genetic diversity of the Colletotrichum,” admits João. “However, by uncovering their evolutionary secrets, we are paving the way for the development of more precise and targeted detection and control methods.”

Photo from left: João Bilro, InnovPlantProtect bioinformatician, studying the phylogeny of the fungus Colletotrichum as part of the AlViGen project; Photo right: Rute Rego and João Bilro discuss ideas about the AlViGen project

The Future of Agriculture Starts Here

The AlViGen Project aims to have a significant impact on the agricultural landscape, especially in the Alentejo, a region with a strong agricultural tradition. By providing farmers with early detection tools and accurate information on the microorganisms that cause crop diseases, the project aims to help with decision-making, enabling farmers to protect their crops and reduce production losses.

“Our ultimate goal is to empower farmers with the knowledge and tools they need to protect their crops sustainably,” says Rute. “We believe that genomic surveillance is a key tool for the future of crop protection.”

João Bilro agrees and adds: “Continuous research is essential to monitor the evolution of harmful microorganisms and develop new control strategies that are always effective. In the future, we hope to expand the scope of AlViGen to include other microorganisms and crops, and make genomic surveillance an accessible tool for all farmers.”

Science at the Service of Agriculture

The AlViGen Project, supported by the Promove Program of the “la Caixa” Foundation, in partnership with Banco BPI and the Foundation for Science and Technology (FCT), is an inspiring example of how science and technology can be applied to solve real problems and transform agriculture. By unlocking the genetic secrets of crop microorganisms, Rute Rego and João Bilro are paving the way for safer, more sustainable and resilient agriculture.

The fight against crop diseases continues, but with AlViGen, farmers can finally see the enemy before it becomes visible.

On May 13th, the project team AI4Leafhopper presented the new application iCountPests, an innovative solution that uses Artificial Intelligence (AI) to detect and count green leafhoppers in chromotropic traps - quickly, accurately and in real time.

Developed as an intuitive mobile application, the iCountPests was designed to facilitate the monitoring of various agricultural pests. With a simple and accessible interface, it allows users to record the evolution of pests in their crops by submitting photographs of the traps installed in the field.

The application uses advanced computer vision models to automatically detect and count insects, delivering results in around a minute - a much faster and more practical process than traditional manual counting.

In its first version, the app already has a model for detecting the green leafhopper (Jacobiasca lybica), achieving an average accuracy of approximately 90%. Functionalities will soon be added to identify other relevant pests, such as curl moth (Cryptoblabes gnidiella) and grape moth (Lobesia botrana).

In addition to automatic counting, the iCountPests makes it possible to monitor the evolution of pest populations over time, making it easier to identify trends and plan more effective interventions.

This project is the result of a multidisciplinary team combining skills in ecology, entomology, artificial intelligence, computer vision, remote sensing and software development, with the aim of making pest monitoring simpler, more accurate and more accessible.

During the presentation session, it was possible to hear the opinions and suggestions of future users of the application. These contributions are essential if we are to continue to improve the tool and ensure that it responds in a practical way to the real needs of farmers and technicians in the sector. We want to develop solutions that evolve with agriculture!

Innovation is at the heart of everything we do and our motto is clear:
“Innovate together, protect better.”

If you want to know more about iCountPests, contact us by email:
📩 apps@iplantprotect.pt

Image credits: InnovPlantProtect

The executive director of InnovPlantProtect (InPP), António Saraiva, took part in the conference “What are the challenges facing the national agroforestry sector over the next decade?”, which took place at the Escola Superior Agrária de Coimbra (ESAC) of the Polytechnic Institute of Coimbra last Tuesday, April 22.

The event, which brought together more than 150 participants and was organized by 17 national Competence Centres, discussed topics such as innovation, sustainability, soil conservation, monitoring cork oak forests and efficient agricultural management.

António Saraiva was part of the panel of commentators, whose speaker was Pedro Santos, Director General of CONSULAI, and moderated by Maria Custódia Correia, Coordinator of the AKIS Portugal Network. The opening session was attended by the Minister for Agriculture and Fisheries, José Manuel Fernandes, who announced the publication of the Ordinance of April 21 to open the Grant for Initiatives for the creation of Operational Groups (OG).

This initiative provides a total of 11 million euros for new GOs, with a maximum of 350,000 euros per project and eligible funding of 100%.

The GOs are considered crucial structures for transferring knowledge and strengthening the AKIS (Agricultural Knowledge and Innovation System).

Special thanks to the 17 Competence Centers for the opportunity to participate in this productive meeting!

Image credits: Rede Rural Nacional

EVENTS

Será que os insetos também têm ciclo de vida? Já conhece o ciclo de vida da traça da colmeia? Ou sabia que as plantas também adoecem ou que existem microrganismos nocivos mas também benéficos para a saúde das plantas? Venha descobrir as respostas a todas estas questões já na próxima sexta-feira, dia 30 de setembro, na Noite Europeia dos Investigadores (NEI) 2022. Entre as 17h30 e as 00h, os investigadores e investigadoras do InPP vão marcar presença na Praça do Giraldo, em Évora.

O InPP estará no stand EU-Corner 4 e este será o ponto de encontro entre os investigadores e todos aqueles que querem descobrir a ciência que é desenvolvida no nosso laboratório colaborativo. Nesta noite vai poder participar em duas atividades científicas: na primeira vai poder descobrir o incrível ciclo de vida da traça da colmeia e na segunda vai poder ver uma planta doente e todo o processo de cura.

Entre jogos, debates, demonstrações, conversas, workshops, visitas, exposições e tertúlias, são muitas as atividades de diversas instituições científicas para explorar nesta festa da ciência.

A participação é gratuita.

Junte a família e venha ter connosco a esta festa da Ciência! Contamos com a sua visita!

Consulte a programação completa de atividades presenciais de Évora here.

A NEI ocorre todos os anos e tem o objetivo de partilhar o trabalho dos investigadores com o público em geral. O tema para o ano de 2022 é “Ciência para Todos – Sustentabilidade e Inclusão”.

Um artigo publicado recentemente pela equipa do InnovPlantProtect (InPP) revela o potencial dos métodos computacionais de machine learning para prever características fenotípicas, como é o caso do rendimento/produtividade do trigo, a partir de informações genéticas desta planta.

O machine learning (ML) é uma área da ciência de dados que tem ganho cada vez mais relevância na última década. O ML é um ramo da inteligência artificial que permite o desenvolvimento de modelos de previsão que podem ser aplicados nas mais variadas áreas. Apesar de não nos apercebermos, utilizamos ferramentas baseadas em ML no nosso dia-a-dia, como por exemplo, os resultados personalizados apresentados no feed do seu Facebook. Mas as aplicações futuras vão desde permitir a condução autonoma até à deteção de doenças através da análise de radiografias (em humanos) ou imagens de drone (em pomares).

A predição genómica (PG) é outra das áreas em que o ML tem estado a ser aplicado. Esta consiste em usar dados genómicos (que nos dão informação acerca do genótipo) para desenvolver modelos computacionais que prevêem características fenotípicas complexas dos organismos, tal como rendimento/produtividade do trigo (Ver representação esquemática).

Nesta investigação agora publicada na revista científica Agriculture, os investigadores Manisha Sirsat e Ricardo Ramiro, ambos do departamento de Gestão de Dados e Análise de Risco, em colaboração com a Paula Oblessuc do departamento de Proteção de Culturas Específicas, exploraram a utilização de vários modelos de PG baseados em diferentes métodos computacionais para além do ML, como é o caso dos métodos estatísticos ou de deep learning (DL), com o objetivo de comparar a robustez e a performance de cada um deles em prever a característica fenotípica rendimento/produtividade do trigo. A ideia foi perceber quais os métodos que permitem prever características fenotípicas com maior fiabilidade.

“Os métodos estatísticos têm sido os mais utilizados em predição genómica pelas equipas de investigação em todo o mundo. Contudo, os métodos de ML estão a revelar-se uma boa alternativa, sendo mais precisos e rápidos”, evidencia Manisha Sirsat, primeira autora do estudo.

“A PG baseada em ML pode ajudar a reduzir o tempo e o custo da avaliação extensiva do processo de fenotipagem (durante os programas de melhoramento) e a acelerar o ganho genético”, explica a investigadora. “Este estudo contribui assim para ajudar os investigadores a perceber os fatores chave no desenvolvimento de modelos que possam acelerar os programas de melhoramento do trigo, ou de outras culturas, e a aumentar a produtividade agrícola”, acrescenta.

Representação esquemática do processo de predição genómica

A equipa tem estado a trabalhar em predição genómica desde 2020, e espera que a genómica e a predição genética sejam fundamentais para permitir manter ou aumentar a produtividade das culturas, apesar das múltiplas ameaças que enfrentamos, e para responder ao aumento de 50% na procura por alimentos até 2050, quando a população mundial atingir 9,7 mil milhões.

O estudo foi cofinanciado por fundos europeus, através do Programa Alentejo2020, e pela Foundation for Science and Technology.

Investigadores Manisha Sirsat, Ricardo Ramiro e Paula Oblessuc (da esquerda para a direita)

Original article

Revista Agriculture

Genomic Prediction of Wheat Grain Yield Using Machine Learning

Manisha Sirsat e Ricardo Ramiro

DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture12091406

No passado dia 31 de Agosto, a diretora de departamento Cristina Azevedo esteve no Dia Aberto do Arroz – “A cultura do arroz no Baixo Mondego”, organizado pelo Pólo de Inovação de Coimbra da Direção Regional de Agricultura e Pescas do Centro (DRAPCentro), e que teve lugar no Campo do Bico da Barca, em Montemor-o-Velho. A iniciativa pretendeu dar a conhecer o que de mais inovador se tem feito ao nível da cultura deste cereal. 

Durante o Dia Aberto, que contou com a colaboração de várias entidades e empresas ligadas ao setor da cultura do arroz, os participantes visitaram ensaios e campos de arroz, ficaram a conhecer um ensaio de novas variedades deste cereal, que está a avaliar o comportamento agronómico das cultivares e a determinar o seu rendimento industrial, e um novo fertilizante – CHAMAE – desenvolvido pela Lusosem, Syngenta, Bayer CropScience e DRAP Centro, que está a ser testado para esta cultura.

Os visitantes tiveram ainda a oportunidade de experienciar o incrível trabalho que tem sido realizado pelo INIAV, IP na conservação e melhoramento desta cultura, bem como um sistema em modo de produção biológico, no qual a Lusosem e a Associação de Beneficiários da Obra de Fomento Hidroagrícola do Baixo Mondego (Abofhbm) estão a testar novas tecnologias inovadoras e sustentáveis de sementeira e controlo de infestantes.

No âmbito da cultura do arroz, o departamento de Novos Biopesticidas, liderado por Cristina Azevedo, tem estado a trabalhar no desenvolvimento de biopesticidas para o controlo da piriculariose, uma das doenças que mais afeta este cereal, e, no passado mês de Agosto já recolheu duas amostras de arroz infetado na bacia do Mondego (em Montemor-o-Velho) e do Tejo/Sorraia (em Coruche e Porto Alto, em Samora Correia). A equipa planeia amostrar ainda este ano na zona do Sado.