Teste de raios X e avaliação computadorizada de variações na morfologia interna de sementes. Raios X para análise de sementes

Transcrição

1 Teste de raios X e avaliação computadorizada de variações na morfologia interna de sementes Aula 3 LPV ANÁLISE DE IMAGENS DE SEMENTES E PLÂNTULAS Programa de pós-graduação em Fitotecnia Francisco G Gomes-Junior Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz para análise de sementes Histórico Primeira tentativa foi realizada por Lundström em 1903: sementes de coníferas Início da década de 1950 na Suécia: avaliação da qualidade de sementes de Pinus sylvestris L. (Simak e Gustafsson,1953) Pinus sylvestris L. X-RAY PHOTOGRAPHY AND SENSITIVITY IN FOREST TREE SPECIES 1

2 Stark e Adams (1963) Kamra(1976) Espécies florestais Sementes vazias Malformadas Infestadas por insetos 165 espécies florestais de nove países No Brasil Primeiro trabalho brasileiro foi realizado por Silvio M. Cicero em 1998: avaliação de danos mecânicos em sementes de milho Setembro de 2001: inauguração do Laboratório de Análise de Imagens do Departamento de Produção Vegetal da USP/Esalq, financiado pela FAPESP (primeiro laboratório para avaliação de sementes utilizando raios X no Brasil) 2

3 Sementes Evolução... Número de artigos publicados, por país sede da pesquisa, desde 1910 até a década de 2010 (março de 2012) Fonte: Scielo e Web of Science Finalidades da utilização do teste de raios X em Tecnologia de Sementes Detecção de anormalidades em embriões Determinação do estádio de desenvolvimento das sementes Estudos de alterações fisiológicas durante os processos de maturação, secagem, germinação ou condicionamento fisiológico Identificação de injúrias mecânicas, injúrias causadas por insetos ou injúrias decorrentes de outros fatores adversos em pré e pós-colheita Seleção de sementes cheias 3

4 10,3 48,3 PESQUISA SOBRE RAIOS X EM SEMENTES Porcentual dos artigos científicos publicados no período de janeiro de 2000 a março de 2012 Fonte: Scielo e Web of Science 41,4 10,5 8,8 Morfologia interna Injúrias mecânicas Alimentícias Florestais Outras (biocombustíveis, forrageiras, ornamentais) 10,5 70,2 Infestação por insetos Outras injúrias (umidade, percevejo, secagem) Avaliação da ocorrência de injúrias mecânicas 4

5 Vista Ventral MILHO Vista Dorsal SEMENTE 9 Plântula Normal Cicero et al. (1998) Vista Ventral Vista Dorsal SEMENTE 18 Plântula Normal Cicero et al. (1998) 5

6 Vista Ventral Vista Dorsal SEMENTE 23 Semente Morta Cicero et al. (1998) Vista Ventral Vista Dorsal SEMENTE 28 Plântula Anormal Cicero et al. (1998) 6

7 SEMENTE 37 Plântula Normal Imagens: Francisco G. Gomes Junior SEMENTE 42 Plântula Normal Imagens: Francisco G. Gomes Junior 7

8 SEMENTE 72 Plântula Normal Imagens: Francisco G. Gomes Junior MILHO DOCE Vista ventral Plântula Anormal Gomes Junior e Cicero (2012) 8

9 MILHO DOCE Plântula Anormal Gomes Junior e Cicero (2012) Radiografia de sementes esféricas de milho doce Imagens: Francisco G. Gomes Junior 9

10 SOJA Plântula Normal Pinto et al. (2009) Plântula Anormal Pinto et al. (2009) 10

11 FEIJÃO Plântula Normal Forti et al. (2008) Plântula Anormal Feijão Forti et al. (2008) 11

12 Plântula Anormal Feijão Forti et al. (2008) Avaliação da ocorrência de injúrias por secagem 12

13 ARROZ Secagem a 32 o C Plântula normal Menezes et al. (2012) Semente de arroz após o teste de germinação: secagem a 50 o C Menezes et al. (2012) 13

14 Avaliação da ocorrência de injúrias por umidade SOJA Plântula Normal Pinto et al. (2009) 14

15 Injúrias severas no eixo embrionário Injúrias severas na região dos cotilédones Plântula anormal Forti et al. (2010) Plântula anormal Soja Forti et al. (2010) 15

16 Semente morta Forti et al. (2010) Soja Avaliação da ocorrência de injúrias provocadas por insetos 16

17 SOJA Plântula Normal Pinto et al. (2009) Ataque de percevejo Plântula Anormal Pinto et al. (2009) 17

18 FEIJÃO Plântula Normal Forti et al. (2008) Ataque de percevejo Plântula Anormal Forti et al. (2008) 18

19 Ataque de caruncho feijão-caupi Plântula Anormal Melo et al. (2010) Predação: Curculionidae Syagrus romanzoffiana Cham. (Arecaceae) Brancalion et al. (2011) 19

20 Sitophilus zeamais Imagem: Francisco G Gomes Junior Avaliação da morfologia interma 20

21 Poliembrionia em citrumelo Swingle Imagens: Francisco G Gomes Junior MILHO Plântula Normal Mondo e Cicero (2005) 21

22 Milho Semente Morta Mondo e Cicero (2005) AMENDOIM Amendoim Plântula Normal Marchi e Cicero (2010) 22

23 Amendoim Plântula Anormal Marchi e Cicero (2010) PINHÃO-MANSO Plântula normal Pinhão-manso Pinto et al. (2009) 23

24 Semente morta Pinhão-manso Pinto et al. (2009) Relações entre morfologia interna e potencial fisiológico Mondo e Cicero (2005) PCG (%) TF (%) EA (%) CE (µs.cm -1.g -1 ) 57b 84a 80a 62c 97a 87b 51c 96a 87b 40,5b 13,8a 14,6a 24

25 Associação dos raios X com o teste de tetrazólio Forti et al. (2010) Classificação de aquênios de arnica A: aquênios cheios; B: aquênios mal formados; C: aquênios vazios Germinação * 3% 16% 0% 0% 0% 41% Com papus interno Sem papus interno *média de 50 aquênios para cada categoria CATEGORIAS Melo et al. (2009) 25

26 Posição da semente no fruto EXTREMIDADES (E) E C E Comprimento de plântula (cm) CENTRAL (C) Dias et al. (2014) Classificação de sementes de ipê Germinação (%) Oliveira et al. (2004) 26

27 Classificação de sementes de Capitão (Terminalia argentea Mart. et Zucc.) Gomes et al. (2014) Detecção de anormalidades em embriões Embrião deformado PA Tecoma stans Embrião com pequeno defeito PA Embrião sem defeito PN Socolowski e Cicero (2008) 27

28 Classificação de sementes de Guayule (Parthenium argentatum Gray) (-) (+) (+) (+ -) Germinação associada aos raios X : morfologia interna das sementes Jorge e Ray (2005) Classificação de sementes de mamona 99%* 4,82** 89% 3,93 89% 3,92 49% 1,87 66% 2,59 71% 2,85 0% 0,00 Carvalho et al. (2010) *Germinação **IVE (Maguire, 1962) : CHEIA E OPACA : CHEIA E MANCHADA : PARCIALMENTE CHEIA E OPACA : PARCIALMENTE CHEIA E TRANSLÚCIDA : PARCIALMENTE CHEIA COM DEFEITO NO EMBRIÃO : PARCIALMENTE CHEIA E MANCHADA : VAZIA 28

29 Avaliação computadorizada de variações na morfologia interna de sementes Radiografias de sementes de aroeira-branca (Machado e Cicero, 2002) 0% < 50% < 50-75% Proporções: embrião/cavidade embrionária ANÁLISE BASEADA EM ESTIMATIVAS VISUAIS AVALIAÇÃO AUTOMATIZADA DA MORFOLOGIA INTERNA DE SEMENTES 29

30 MAMONA (Carvalho et al., 2010) Totalmente formada Parcialmente formada Não formada ESTIMATIVAS VISUAIS: SUBJETIVIDADE DAS DETERMINAÇÕES Outros trabalhos: Ipê < 50% e > 50% do embrião danificado (Oliveira et al., 2004) Arnica aquênios mal formados (Melo et al., 2009) Pimentão maior e menor retração do endosperma (Gagliardi e Marcos Filho, 2011) MORFOLOGIA INTERNA DA SEMENTE ASSOCIADA AO CRESCIMENTO DA PLÂNTULA 1 maior retração do endosperma (A), menor a plântula formada (A ) Pimentão 2 menor retração do endosperma (B), maior a plântula formada (B ) Gagliardi e Marcos Filho (2011) 30

31 AVALIAÇÃO AUTOMATIZADA DA MORFOLOGIA INTERNA DE SEMENTES Mensuração computadorizada das áreas correspondentes às partes internas de sementes de tomate (Liu et al., 1993) Determinação da área vazia entre o embrião e o endosperma (espaço livre) A área de espaços livres pode ser utilizada como um indicador do potencial de germinação (Dell Aquila, 2007) Redução progressiva da formação de plântulas normais a partir de sementes de pimentão com área de espaços livres (áreas vazias) entre o embrião e o endosperma > 2,7% Sementes de pimentão Dell Aquila (2007) 31

32 VARIAÇÕES NA ÁREA EMBRIONÁRIA EM LOTE COMERCIAL DE SEMENTES DE ALFACE Aumento da área ocupada pelo embrião 67% 73% 77% 80% 83% 85% Imagem: Francisco G. Gomes Junior EFEITOS SOBRE O DESEMPENHO DAS PLÂNTULAS? AVALIAÇÃO AUTOMATIZADA DA ÁREA EMBRIONÁRIA OU DO ESPAÇO INTERNO LIVRE EM SEMENTES TOMATO ANALYZER IMAGE-PRO PLUS 32

33 Tomato Analyzer (TA) Brewer et al. (2008) 33

34 Radiografias de sementes de algodão analisadas pelo TA Pericarp Area = 0,14 Pericarp Area = 0,43 Pericarp Area = 0,59 Área do embrião = 86% Área do embrião = 57% Área do embrião = 41% IMAGE-PRO PLUS Xylopia aromatica (anonaceae) Espaço livre interno total = 1, mm 2 Espaço livre interno = 0,05916 mm 2 Imagem processada e analisada Imagem radiográfica original 1 mm Socolowski et al. (2011) 34

35 Área (embrião + endosperma) (%) 28/08/2014 Área da cavidade interna ocupada pelo embrião* em sementes de mamona Plântulas com 5 dias de idade % 86% 85% 84% 85% % 87% 73% 78% 71% 9,1 cm 4,5 cm 5,2 cm 4,1 cm 6,1 cm 5,0 cm 7,8 cm % 78% 75% 75% 73% 4,3 cm * Determidada pelo Tomato Analyzer Categoria A: > 80% = 5,6 cm Categoria B: 75 a 80% = 4,5 cm Categoria C: < 75% = 4,6 cm 3,0 cm 5,1 cm 3,9 cm 4,5 cm 1,4 cm Gomes Junior (2010) Área (embrião + endosperma) em lotes comerciais de sementes de tomate CV. MARIANA * * Determinações realizadas pelo Image-Pro Plus Número de sementes Número de sementes Silva et al. (2013) 35

36 Emergência de plântulas (%) 28/08/2014 Área da cavidade interna ocupada pelo embrião* em sementes de pepino Categorias 0,1 cm 3,9 cm 77,5% 76,1% I: <78,1% L4 0,5 cm L4 Gomes Junior et al. (2012) 82,5% 10,5 cm II: 78,1-82,5% L4 L4 86,4% 8,4 cm III: >82,5% L4 * Determidada pelo Tomato Analyzer SENSIBILIDADE DE SEMENTES DE PUPUNHA À DESSECAÇÃO Espaço livre interno = 0,5% Teor de água = 43,3% Espaço livre interno = 7,2% Teor de água = 35,8% Teor de água crítico Espaço livre interno = 23,2% Teor de água = 12,2% Morte da semente Parmejiani (2013) Teor de água (%) 36

37 MATURAÇÃO DE SEMENTES DE PIMENTÃO 44% 26% 16% 3% Carvalho (2014) Sementes armazenadas de algodão Categoria 1 < 23,3% Categoria 2 23,3% a 28,9% Categoria 3 > 28,9% Alvarenga (2013) 37

38 Sementes armazenadas de algodão Categoria 1 < 2,2% Categoria 2 2,2% a 9,6% Categoria 3 > 9,6% Alvarenga (2013) TOMATO ANALYZER PROCEDIMENTO PARA A AVALIAÇÃO DA MORFOLOGIA INTERNA DE SEMENTES 38

39 Tomato Analyzer: Open Image Formato JPEG Sementes de melancia Imagem: Francisco G. Gomes Junior Tomato Analyzer: Analyze Sementes de melancia Imagem: Francisco G. Gomes Junior 39

40 Tomato Analyzer: Set Pericarp Boundary Sementes de melancia Imagem: Francisco G. Gomes Junior Tomato Analyzer: Adjust Pericarp Boundary Imagem: Francisco G. Gomes Junior 40

41 Tomato Analyzer: Adjust Pericarp Boundary Imagem: Francisco G. Gomes Junior Tomato Analyzer: Semente analisada Área ocupada pelo embrião 75% Pericarp Area (0,25 = 25%) Imagem: Francisco G. Gomes Junior 41

42 IMAGE-PRO PLUS PROCEDIMENTO PARA A AVALIAÇÃO DA MORFOLOGIA INTERNA DE SEMENTES Image-Pro Plus: abrir imagem Formato TIF Imagem: Francisco G. Gomes Junior 42

43 Image-Pro Plus: converter imagem para escala de cinzas (8 bits) Imagem: Francisco G. Gomes Junior Image-Pro Plus: aplicar filtro Imagem: Francisco G. Gomes Junior 43

44 Image-Pro Plus: definir calibração Imagem: Francisco G. Gomes Junior Image-Pro Plus: definir calibração Imagem: Francisco G. Gomes Junior 44

45 Image-Pro Plus: segmentação da imagem Imagem: Francisco G. Gomes Junior Image-Pro Plus: segmentação da imagem Imagem: Francisco G. Gomes Junior 45

46 Image-Pro Plus: selecionar determinações Imagem: Francisco G. Gomes Junior Image-Pro Plus: semente analisada Área ocupada pelo embrião = 82,6% Imagem: Francisco G. Gomes Junior 46

47 47