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Integrative Modeling, Simulation, and Optimization Techniques for Efficient Data-Intensive Applications in Edge Computing Infrastructures
No full textLa fusión de tecnologías que caracteriza a la cuarta revolución industrial está difuminando las fronteras entre el mundo físico y el digital. Las nuevas soluciones son cada vez más complejas e implican conocimientos especializados en múltiples ámbitos. Por lo tanto, ya no pueden considerarse soluciones autónomas, sino un sistema de sistemas que comprende dispositivos, usuarios y otros sistemas de apoyo. Su concepción, diseño y despliegue requiere un análisis exhaustivo del escenario para tener éxito. La ingeniería de sistemas basado en el modelado y la simulación (MSBSE) aplica técnicas avanzadas de modelado y simulación para garantizar un diseño incremental lógico, robusto y fiable, lo que permite evaluar los riesgos técnicos del sistema al tiempo que disminuyen los costes de la solución en desarrollo. Sin embargo, estos métodos siguen presentando algunas deficiencias que requieren más investigación para abarcar más casos de uso y lograr una mayor adopción. Por este motivo, necesitamos establecer un nuevo flujo de trabajo que se apoye en herramientas de modelado, simulación y optimización (M&S&O) para ayudar en la concepción, diseño, implementación y operación de sistemas complejos modernos que aborden estos problemas sin comprometer la robustez de la solución.
Esta tesis propone un enfoque novedoso que integra metodologías M&S&O en la ingeniería de sistemas para el desarrollo de sistemas complejos. Esta visión holística hace hincapié en el uso de herramientas formales de modelado para construir sistemas más robustos y fiables. La simulación es la herramienta principal para verificar que el modelo propuesto cumple los requisitos del sistema. Además, incorpora técnicas de optimización para automatizar las decisiones de diseño y mejorar el rendimiento del sistema en desarrollo. Aportamos un estudio en profundidad de los enfoques de modelado formal, simulación y optimización para ayudar al desarrollo de soluciones más robustas a lo largo de la concepción y el desarrollo de sistemas complejos. A continuación, proponemos un nuevo proceso para integrar estas técnicas de modelado, simulación y optimización. Además, exploramos técnicas para mejorar el rendimiento de la simulación con el fin de acelerar el proceso de desarrollo de sistemas propuesto. Por último, definimos un marco de optimización ajeno a las herramientas de modelado y simulación usadas que integra distintos algoritmos de optimización para mejorar el rendimiento de cualquier sistema complejo en desarrollo. Desvincular las herramientas de optimización del problema específico nos permite reutilizar las herramientas de optimización para múltiples sistemas en estudio.
Para ilustrar la metodología propuesta, nos inspiramos en un caso de uso de un sistema complejo. En concreto, nos centramos en el diseño de infraestructuras federadas de cómputo de borde para aplicaciones con exigentes requisitos técnicos en términos de cómputo y latencia de servicio. Este caso de uso en particular puede beneficiarse significativamente del flujo de trabajo MSOBSE propuesto, ya que el número de dispositivos interconectados está creciendo exponencialmente y las infraestructuras actuales que dan soporte a las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) se están viendo saturadas. La computación de borde surge como solución a estas limitaciones, descentralizando los recursos informáticos y distribuyéndolos geográficamente en el borde de la red para reducir significativamente la latencia de las aplicaciones TIC. La computación de borde puede reducir el retardo de las comunicaciones y aumentar el ancho de banda global disponible en comparación con las soluciones TIC actuales basadas en la nube. De este modo, la computación de borde destaca como un habilitador tecnológico para nuevos servicios que requieran un cómputo intensivo y distribuido en tiempo real.
ABSTRACT
The fusion of technologies that characterizes the fourth industrial revolution is blurring the boundaries between the physical and digital worlds. New solutions are becoming increasingly complex and involve expertise in multiple domains. Thus, they can no longer be considered stand-alone solutions but a system of systems comprising devices, users, and other supporting systems. Their conception, design, and deployment require a thorough analysis of the scenario to be successful. Modeling and simulation-based systems engineering (MSBSE) applies advanced Modeling and Simulation (M&S) techniques to ensure a logical, robust, and reliable incremental design, allowing the technical risks of the system to be assessed while lowering the costs of the solution under development. However, these methods still have different shortcomings that require further research to cover more use cases and achieve wider adoption. For this reason, we need to establish a new workflow that relies on modeling, simulation, and optimization (M&S&O) tools to assist in the conception, design, implementation, and operation of modern complex systems that address these problems without compromising the robustness of the solution. This thesis proposes a novel approach that integrates M&S&O methodologies in systems engineering for the development of complex systems. This holistic view emphasizes using formal modeling tools to build more robust and reliable systems. Simulation is the main tool to verify that the proposed model meets the system requirements. In addition, it incorporates optimization techniques to automate design decisions and improve the system under development performance. We provide an in-depth study of formal modeling, simulation, and optimization approaches to aid the development of more robust solutions throughout the design and development of complex systems.
We then propose a new process for integrating these modeling, simulation, and optimization techniques. In addition, we explore techniques for improving simulation performance to accelerate the proposed system development process. Finally, we define an M&S-agnostic optimization framework that integrates different optimization algorithms to improve the performance of any complex system under development. Decoupling the optimization tools from the specific problem allows us to reuse the optimization tools for multiple systems under study.
We define a use case of a complex system to elaborate on the proposed methodology. Namely, we focus on the design of federated Edge Computing infrastructures for applications with demanding technical requirements in terms of computation and service latency. This particular use case can benefit significantly from the proposed MSOBSE workflow, as the number of interconnected devices is growing exponentially and the current infrastructures supporting information and communication technologies (ICT) are becoming saturated. Edge Computing arises as a solution to these limitations, decentralizing computing resources and distributing them geographically at the edge of the network to significantly reduce the latency of ICT applications. Edge Computing can reduce communication delay and increase the overall available bandwidth compared to current cloud-based ICT solutions. In this way, Edge Computing stands out as a technology enabler for new services that require intensive, distributed real-time computation
Detector de objetos aislados y agrupaciones con redes neuronales
No full textResumen:
La detección de objetos es una tarea fundamental en el campo de la visión por computadora que consiste en identificar y localizar la presencia de objetos en una imagen o secuencia de imágenes. Esta área de investigación ha experimentado avances significativos en los últimos años, gracias al desarrollo de algoritmos y técnicas de aprendizaje automático.
En el ámbito de la acuicultura, resulta crucial contar y determinar automáticamente el tamaño de los peces. Esta información es fundamental para diversas tareas, como el control de alimentación y la evaluación del éxito reproductivo. Saber el número de peces que se encuentran en los tanques es fundamental para determinar cuántas larvas logran desarrollarse y convertirse en adultos. Además, conocer el tamaño de los peces permite establecer pautas precisas sobre cuándo proporcionarles alimento y gestionar de manera eficiente su crecimiento y salud en general, entre otros aspectos relevantes.
Este proyecto consiste en aplicar aprendizaje automático a las características morfológicas de objetos para diferenciar entre los individuales y agrupaciones. Esta aproximación se aplica debido a los desafíos que surgen al etiquetar imágenes de rodaballos, donde la superposición de objetos dificulta su distinción clara. Para llevar a cabo dicho objetivo, se desarrolla un sistema capaz de distinguir entre estas dos clases, utilizando imágenes obtenidas de tanques larvarios.
Durante la primera fase del proyecto, se desarrolló una aplicación de software que permitió obtener los momentos invariantes de Hu. Una vez obtenidos estos resultados, se procedió a la construcción del conjunto de datos etiquetado que incluía tanto los momentos invariantes como una etiqueta que indicaba si se trataba de un individuo o de un grupo.
En la segunda fase del proyecto se llevaron a cabo pruebas con diversas técnicas de aprendizaje automático, tales como modelos de redes neuronales, árboles y bosques de decisión, con el fin de analizar los resultados.
Se identificó la técnica de aprendizaje automático más efectiva para la clasificación de los datos de entrada, lo que resultó en una mejora significativa en la estimación de la biomasa de los peces. El algoritmo XGBoostClassifier con la transformación de datos StandardScalerWrapper fue el modelo más efectivo, aunque en ocasiones detectó los grupos de rodaballos como aislados, logrando una precisión general de 0.84 con una división de validación, entrenamiento y prueba del 20 %, 70% y 10% respectivamente.
Abstract:
Object detection is a fundamental task in the field of computer vision, which involves identifying and locating the presence of objects in an image or sequence of images. This area of research has experienced significant advancements in recent years, thanks to the development of algorithms and techniques in machine learning.
In the field of aquaculture, it is crucial to automatically count and determine the size of fish. This information is essential for various tasks, such as feeding control and evaluating reproductive success. Knowing the number of fish in the tanks is fundamental to determine how many larvae can develop and become adults. Additionally, understanding the size of the fish allows for establishing precise guidelines on when to provide them with food and managing their growth and overall health efficiently, among other relevant aspects.
This project involves applying machine learning to the morphological characteristics of objects to differentiate between individual objects and groups. This approach is implemented due to the challenges encountered when labeling images of turbots, where object overlapping hinders clear distinction. To achieve this objective, a system is developed that is capable of distinguishing between these two classes, using images obtained from larval tanks.
During the first phase of the project, a software application was developed that allowed for obtaining Hu's invariant moments. Once these results were obtained, the construction of two databases was carried out. The first database contained the input data with the Hu's invariant moments, while the second database included both the invariant moments and a label indicating whether it was an individual or a group.
Once the two databases were created with the Hu's invariant moments and a label indicating whether it was an individual or a group, the project moved on to the second phase. During this phase, tests were carried out with various machine learning techniques, such as neural network models, decision trees, and random forests, to analyze the results obtained.
The most effective machine learning technique for classifying the input data was identified, resulting in a significant improvement in the estimation of fish biomass. The XGBoostClassifier algorithm with the StandardScalerWrapper data transformation was the most effective model, although it sometimes detected groups of turbot as isolated, achieving an overall precision of 0.84 with a validation, training, and test split of 20%, 70%, and 10%, respectively
Software de aplicación de un vehículo autónomo submarino (AUV) para la generación de mapas del fondo marino
No full textResumen:
El principal objetivo que se ha querido buscar en este proyecto es la implementación de un sistema híbrido como es la combinación de sistemas acústicos y sistemas visuales en un AUV (Autonomous Underwater Vehicle) que permita realizar un mapa de alta calidad y en tiempo real del fondo submarino. Todo ello es necesario implementarlo con la técnica SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) para construir el mapa dependiendo de la trayectoria y posición que está cogiendo el robot y su entorno.
El sistema acústico por excelencia que se usa en el mundo náutico es el SONAR, pero al ser un sistema del que no disponemos por costes o recursos del proyecto, es necesario la generación de una simulación de datos con otra tecnología que tiene muchas similitudes. Esta tecnología es la denominada LIDAR, el cual es una especie de láser que, dependiendo de la longitud de este, se sabe tanto a qué distancia hay un obstáculo como su propio tamaño
Respecto al sistema visual que se simulará para alcanzar el propósito del proyecto, es un sistema de odometría visual, el cual es un sistema donde se calcula la trayectoria y el movimiento realizado por un robot dinámico a partir de datos capturados y almacenados por el sistema de cámaras o de visionado instalado o integrado en el sistema robótico.
La correcta implementación de estos tres sistemas, tecnologías o algoritmos da como resultado una aplicación software válida donde el objetivo de mapear el fondo marino y generar un mapa en alta calidad, es alcanzado aunque se hayan encontrado problemas de obsolescencia o incompatibilidad durante todo el ciclo de vida del software, los cuales han sido resueltos satisfactoriamente.
Sobra decir que este sistema es la primera piedra o parte de los cimientos de un sistema aún más grande y elaborado donde, mediante la investigación y el desarrollo de trabajos futuros sobre sistemas robóticos, puede llevarse a cabo en un entorno real y no en uno simulado, donde la aplicación u objeto de estudio principal sea la investigación del fondo marino y resolver todas las dudas generadas por el desconocimiento del mundo acuático.
Abstract:
The main objective that has been found in this project is the implementation of a hybrid system such as the combination of acoustic systems and visual systems in an AUV (Autonomous Underwater Vehicle) that allows a high-quality map of the bottom to be made in real time. submarine. All of this must be implemented with SLAM technique (Simultaneous Localization and Mapping) to generate the map depending on the trajectory and position that the robot and its environment are defined.
The typical acoustic system used in the nautical world is SONAR, but since it is a system that we do not have due to project costs or resources, it is necessary to generate a data simulation with another technology that has many similarities. This technology is called LIDAR, which is a kind of laser that, depending on its length, knows both how far away there is an obstacle and its own size.
Regarding the visual system that will be simulated to achieve the purpose of the project, it is a visual odometry system, which is a system where the trajectory and the movement made by a dynamic robot are calculated from data captured by the camera or viewing system installed or integrated into the robotic system.
The correct implementation of these three systems, technologies or algorithm, results in a valid software application where the objective of mapping the seabed and generating a high-quality map is achieved even though obsolescence or incompatibility problems have been found along the software life cycle, which have been resolved satisfactorily.
This system is the first step of an even larger and more elaborate system where, through research and development of future work on robotic systems, it can become a reality and be brought to a real environment and not in simulated one, where the main application is the investigation of the seabed and solve all the doubts generated by the secrets of the aquatic world
Mejoras en la implementación de un juego serio para evaluación de funciones ejecutivas en niños: prueba Sendero Gris (ENFEN)
No full textResumen:
El propósito general de este Proyecto de Fin de Grado, titulado “Mejoras en la implementación de un juego serio para evaluación de funciones ejecutivas en niños: prueba Sendero Gris (ENFEN)”, es la mejora en el diseño y lógica de programación de una prueba ya implementada y ejecutable en sistemas Android. La prueba de la que se parte se encuentra contenida en la batería de evaluación neuropsicológica ENFEN, cuya función es ayudar en la detección precoz del Trastorno por Déficit de Atención e Hiperactividad en niños entre 6 y 12 años.
A partir de este desarrollo, se pretende ayudar a los profesionales en el proceso de detección de una manera digital e innovadora mediante la automatización del análisis y de la corrección tras la evaluación realizada por cada niño. Como solución a este proyecto, se han diseñado una serie de mejoras en la lógica de funcionamiento a través de Kodular y un posterior almacenamiento de los datos en Firebase para garantizar confidencialidad y seguridad en los mismos.
Finalmente, las pruebas realizadas se han basado en la descarga e instalación de la aplicación en un dispositivo Android y en la ejecución del juego para a posteriori acceder y comprobar que los datos obtenidos han sido almacenados.
Abstract:
The general purpose of this Final Degree Project, entitled “Improvements in the implementation of a serious game for the evaluation of executive functions in children: Grey Path test (ENFEN)”, is to improve the design and programming logic of a test already implemented and executable on Android systems. The test is contained in the ENFEN neuropsychological evaluation battery, whose function is to help in the early detection of Attention Deficit Hyperactivity Disorder in children between 6 and 12 years old.
From this development, the aim is to help professionals in the detection process in a digital and innovative way by automating the analysis and correction after the evaluation of each child. As a solution to this project, a series of improvements have been designed in the operating logic through Kodular and a subsequent storage of the data in Firebase to guarantee confidentiality and security.
Finally, the tests carried out were based on downloading and installing the application on an Android device and running the game in order to subsequently access and check that the data obtained has been stored
Hacia la arquitectura ingrávida : tres escenarios de avance de la arquitectura neumática entre 1948 y 1970
No full textIn 1959, Architectural Forum magazine claimed that pneumatic architecture was the most exciting idea to come of age in building since Buckminster Fuller’s geodesic domes. Throughout that decade and, after Walter Bird had built the first air construction in 1948, pneumatic structures lived their golden age, which culminated in the Osaka ’70 exhibition. Although a growing interest in pneumatic structures has risen lately in the contemporary architectural scene, the development and progress of this discipline stagnated shortly after the closing of the Japanese exhibition, taking more than thirty years to revive.
This research seeks to unravel the conditions that occurred in the pneumatic architectural scene between 1948 and 1970, the period of its maximum development, in order to understand and reveal the performances, modus operandi, tools, and disciplinary strategies underlying its fruitful development. This will lead to the eventual constitution of a model of progress for current pneumatic architecture, in order to stimulate, refine, and accelerate the progress of contemporary pneumatic architecture. Consequently the present thesis discovers, explores, and analyses three modes of disciplinary progress: the pragmatic, the theoretical, and the visionary, which are evaluated through specific and independent but closely related scenarios.
In the pragmatic category advancement occurs through professional practice. In this scenario the thesis delves into Walter Bird’s first air constructions, which lay the foundations and constructive guidelines of pneumatic architecture. These structures influenced Bird’s contemporaries such as Buckminter Fuller, Frei Otto, Victor Lundy, Yukata Murata, Davis and Brody or Shoji Hayashi, among others, but are also fundamental today, as evidenced in the Serpentine Gallery pavilion designed by Rem Koolhaas and Cecil Balmond.
The theoretical category is revealed through the first International Colloquium on Pneumatic Structures organized by Frei Otto and held in Stuttgart in 1967, in which Cedric Price, Victor Lundy and Walter Bird attended as speakers. In this event a clear advance of the discipline is produced through dialectical action and knowledge sharing. Design decisions, research and experience are disclosed and discussed. The first publication on pneumatic architecture with an exhaustive documentary base is also created. This pioneering academic act allows us to allude to the pressing need to activate dynamic and projective dialectical action among the current protagonists of the discipline.
The visionary category focuses its attention on the ability to create new pneumatic solutions and realities through imaginative design proposals that lack an express intention of being built at the precise moment in which they are created. The French group AJS-Aerolande, founding members of the Utopie group, are taken as an illustrative model of this category. Their focus is in the search for a new transportable, extensible, economic and pneumatic architecture. This aim is materialized through architectural proposals that have a clear prospective and visionary character, which on the contrary contain the seeds of future solutions that can be developed once the technological evolution necessary for their implementation has taken place.
The thesis, which has an eminently projective and instrumental purpose, concludes with a proposal for an updated model for the advancement of pneumatic architecture, which synthesizes the lessons learned in the analysis and findings of the three scrutinized scenarios. This model updates the strategies, methodologies and objectives to the current conditions in order to facilitate the evolution towards the progress of weightless architecture.
RESUMEN
En 1959, la revista Architectural Forum 1 aseguró que la arquitectura neumática era la idea constructiva más emocionante desde las cúpulas geodésicas de Buckminster Fuller. A lo largo de esa década y tras la materialización de la primera construcción levantada con aire, en 1948 por Walter Bird, las estructuras neumáticas viven su edad de oro que culmina en la Exposición Universal de Osaka en 1970. Si bien existe un creciente interés por las estructuras neumáticas en el panorama arquitectónico contemporáneo, su desarrollo y avance se estancó poco después de la clausura de la exposición japonesa, tardando más de treinta años en reavivarse.
Esta investigación busca desgranar las condiciones que se dieron en la práctica del proyecto arquitectónico neumático en el periodo de su máximo desarrollo (1948-1970), para entender y revelar modus operandi, herramientas y estrategias disciplinares que permitan constituir un modelo de avance de la arquitectura neumática actual, con el fin de estimular, perfeccionar y acelerar el progreso de la arquitectura neumática contemporánea. Para ello, la presente tesis descubre, explora y analiza tres modos de avance disciplinar: el pragmático, el teórico y el visionario, los cuales se analizan a través de escenarios concretos e independientes pero estrechamente relacionados entre sí.
En la categoría pragmática, el avance se produce a través de la práctica profesional. Este escenario se centra en el estudio de las primeras estructuras de aire de Walter Bird, las cuales sientan las bases y las directrices constructivas de la arquitectura neumática. Estas construcciones influyeron a sus coetáneos, como Buckminter Fuller, Frei Otto, Victor Lundy, Yukata Murata, Davis y Brody o Shoji Hayashi, entre otros, y son también fundamentales en la actualidad, como se evidencia en el pabellón para la Serpentine Gallery de Rem Koolhaas y Cecil Balmond.
La categoría teórica se revela a través del primer Coloquio Internacional de estructuras neumáticas de 1967, celebrado en Stuttgart y organizado por Frei Otto, donde asistirán como ponentes Cedric Price, Victor Lundy y Walter Bird. En este evento se produce un claro avance de la disciplina a través de compartir proyectos, investigaciones y conocimientos a través de la acción dialéctica. También se realiza la primera publicación de arquitectura neumática con una base documental exhaustiva. Este pionero acto académico nos permite aludir a la necesidad apremiante de activar la acción dialéctica dinámica y proyectiva entre los actuales protagonistas de la disciplina.
La tercera categoría, la visionaria, concentra su atención en la capacidad de crear nuevas realidades y soluciones neumáticas por medio de propuestas proyectuales imaginativas sin intención expresa de ser construidas en el momento preciso de ser creadas. A través del grupo francés AJS-Aerolande, miembros fundadores del grupo Utopie, se muestra la búsqueda de una nueva arquitectura transportable, extensible, económica y neumática que se materializa a través de proyectos arquitectónicos con un carácter claramente prospectivo y visionario que, sin embargo, contienen los gérmenes de soluciones futuras que pueden ser desarrolladas una vez se ha dado la evolución tecnológica necesaria para su implementación.
La tesis, que tiene una finalidad eminentemente proyectiva e instrumental, concluye con una propuesta de modelo de avance de la arquitectura neumática actualizado, que sintetiza las enseñanzas adquiridas tras el estudio de los tres escenarios analizados y actualiza las estrategias, metodologías y focos de atención a las condiciones actuales con el fin de ayudar a avanzar hacia el progreso de la arquitectura ingrávida
Implantación de una red centralizada de calor y frío en el Campus Sur UPM
No full textEl cambio climático está afectando a todos los países de los continentes, alterando las economías y las vidas del planeta. La economía global se ha visto afectada por la subida de los precios de la energía, triplicándose el valor de la energía eléctrica y casi duplicándose el del gas en España. Por otra parte, el alza de los niveles de dióxido de carbono está afectando el equilibrio de los ecosistemas, el deshielo de los polos y la vida de las personas, todo esto dado el aumento de hasta 3°C respecto a la media de años anteriores, llegando al punto de registrarse julio de 2023, como el mes caluroso de la historia desde 1880.
Para combatir con las consecuencias del cambio climático, el acuerdo de París pactó reforzar la respuesta mundial a la amenaza del cambio climático. Por su parte los objetivos de desarrollo sostenible apuntan a abordar diversas problemáticas relacionadas a la crisis climática.
El presente trabajo, nace de la motivación conjunta entre Alumno-universidad por encontrar oportunidades de mejora sostenibles dentro de la Universidad Politécnica de Madrid. Específicamente, se ha identificado una posible oportunidad en el campus sur para la mejora de la eficiencia de las instalaciones de calefacción refrigeración y ACS por medio de la implantación de una red de calor y frío centralizada.
Abstract
Climate change is affecting every country on continents, altering the planet's economies and lives. The global economy has been affected by the rise in energy prices, with the value of electricity tripling and gas almost doubling in Spain. On the other hand, the rise in carbon dioxide levels is affecting the balance of ecosystems, the melting of the poles and people's lives, all this given the increase of up to 3°C compared to the average of previous years, reaching the point of registering July 2023 as the hottest month in history since 1880.
To combat the consequences of climate change, the Paris agreement agreed to strengthen the global response to the threat of climate change. The Sustainable Development Goals aim to address various issues related to the climate crisis.
This work was born from the joint motivation between student-university to find sustainable improvement opportunities within the Universidad Politécnica de Madrid. Specifically, a possible opportunity has been identified in the south campus to improve the efficiency of the heating, cooling, and District heating installations through the implementation of a centralized heating and cooling networ
Caracterización térmica y radiológica del combustible nuclear bwr irradiado
No full textLa investigación en la caracterización del combustible nuclear irradiado sucede por la preocupación global de buscar una forma efectiva de almacenar los residuos radiactivos en las diferentes etapas de enfriamiento del combustible.
Para ello se cuenta con programas informáticos como el empleado en el desarrollo de este Trabajo de Fin de Grado que son de gran utilidad para el análisis de la composición, fuente de radiación y carga térmica de los elementos combustibles irradiados.
En este trabajo, se ha realizado una serie de simulaciones y análisis que permiten entender el estudio sobre el combustible irradiado que se lleva a cabo para gestionar dicho combustible en el proceso de desmantelamiento de una central nuclear.
Abstract
The research on the characterization of irradiated nuclear fuel is due to the global concern of finding an effective way of storing radioactive waste in the different stages of fuel cooling.
For this purpose, computer programs such as the one used in the development of this Final Degree Project are very useful for the analysis of the composition, source of radiation and decay heat of the irradiated fuel elements.
In this work, a series of simulations and analyses have been carried out to understand the study of the irradiated fuel that is performed to manage this fuel in the decommissioning process of a nuclear power plant
Diseño de una red de vigilancia de calidad del aire para la ciudad de Guayaquil basado en una metodología multi-criterio y multi-contaminante
No full textLa minimización del impacto producido por la contaminación atmosférica debe basarse en una adecuada evaluación y gestión de la calidad del aire en los ambientes urbanos, siendo uno de los elementos claves para ello la implementación de una red de vigilancia de la calidad de aire (RVCA). Una adecuada estrategia de vigilancia permite obtener información fiable y representativa de la concentración de los principales contaminantes y permite evaluar el cumplimiento de la legislación, a qué niveles está expuesta la población y cómo estos varían como resultado de planes y medidas de reducción de emisiones y, por lo tanto, supone un instrumento clave para la evaluación y gestión de la calidad del aire urbano. El diseño óptimo de una RVCA debe basarse en una metodología multi- criterio y multi-contaminante para garantizar que la red proporciona información representativa para minimizar el impacto de la contaminación atmosférica. Así pues, la ausencia de una infraestructura de este tipo en la ciudad de Guayaquil (Ecuador) es una limitación de primer orden para avanzar en la gestión de la calidad del aire en dicha localidad.
En base en ello y considerando los requisitos, ventajas y limitaciones de las distintas aproximaciones metodológicas descritas en este estudio se ha desarrollado y aplicado una metodología multicriterio y multi-contaminante para diseñar una RVCA para la ciudad de Guayaquil, objetivo central de esta Tesis Doctoral. La propuesta de red se basa en la combinación de un conjunto de criterios a través de las técnicas analíticas de un sistema de información geográfica (SIG) para realizar un análisis de idoneidad.
En este análisis, los criterios seleccionados para asignar ubicaciones óptimas son representadas en capas ráster, las que se clasifican en una escala común y se ponderan en función de sus prioridades. Las capas ponderadas clasificadas se superponen espacialmente para calcular la suma de las puntuaciones ponderadas y producir un mapa de idoneidad final. Las ubicaciones potenciales para el área de estudio son las que tienen las sumas más altas de puntuaciones ponderadas.
La ventaja básica de usar un SIG es que organiza los datos geográficos de tal manera que el proceso de toma de decisiones se vuelve sistemático. Además, crea los resultados que se pueden visualizar en mapas interactivos que simplificarán aún más el proceso de toma de decisiones.
La metodología multicriterio y multi-contaminante utilizada en esta Tesis se puede resumir en tres etapas: la primera consiste en implementar y aplicar un sistema de modelización de la calidad del aire utilizando técnicas matemáticas predictivas, específicamente modelos determinísticos utilizados en la práctica internacional. Este sistema es necesario para generar las capas de criterios ambientales relacionados con los niveles de concentración de los principales contaminantes.
En concreto, la investigación realizada en esta Tesis se basa en el modelo de dispersión Puff-Gaussiano denominado CALPUFF. No obstante, dada la ausencia de datos de entrada para soportar la aplicación del modelo, ha sido necesario generar la información necesaria relativa a la meteorología y emisiones en la ciudad. Para dar respuesta al primer requisito, se ha implementado y ejecutado el modelo de pronóstico meteorológico de última generación como el WRF (Weather Research and Forecasting), cuyas salidas se han procesado por el modelo no estacionario CALMET, que es el responsable de generar datos tridimensionales compatibles con CALPUFF. El modelo ha sido evaluado contra las observaciones de las variables meteorológicas básicas (viento y temperatura) disponible en el aeropuerto internacional José Joaquín de Olmedo con resultados satisfactorios. En lo que respecta a las emisiones, y dada la ausencia de un inventario local actualizado, se llevó a cabo un inventario de los principales contaminantes (SO2, NOX, CO, PM10 y PM2.5) para los cinco sectores más importantes: centrales térmicas, las industrias de manufactura, los puertos, el aeropuerto y el transporte en carretera. Para este último, se aplicó el modelo IVE (International Vehicle Emissions), lo que implicó levantar información sobre la composición y antigüedad del parque circulante, intensidad de tráfico y otras variables relevantes. Además de servir de entrada esencial para el sistema de simulación, la compilación del inventario permitió identificar las principales fuentes en la ciudad. Mientras que la mayor parte del SO2 (71 %) procede de la generación de energía en centrales termoeléctricas, el tráfico rodado es principal emisor para el resto de compuestos, incluyendo los NOX (87 %) y el PM2.5 (94 %). Con estos inputs, se ejecutó el modelo CALPUFF para el año 2018 completo, lo que permitió el cálculo de las concentraciones medias anuales, así como máximas diarias y horarias y un análisis de contribución de fuentes, que respaldó la enorme relevancia del tráfico rodado, no sólo en términos de emisiones, sino también en lo que respecta a la calidad del aire. Dada la ausencia de observaciones y a diferencia de la simulación meteorológica, no ha sido posible realizar una evaluación del modelo de calidad del aire para valorar el desempeño de este sistema y la fiabilidad de los resultados obtenidos. Para paliar parcialmente esta limitación, en la tesis se llevaron a cabo dos campañas experimentales de corta duración para aportar información sobre los niveles de concentración en el aire ambiente de los principales contaminantes. La ubicación de los puntos de muestreo y las diferencias en los periodos simulados y medidos impiden la comparación directa de los datos de las campañas con las concentraciones predichas por el modelo. No obstante, permiten inferir que el modelo infraestima notablemente, especialmente para PM, contaminante, a priori, más afectado por las fuentes no incluidas en el inventario y con una contribución notable de partículas de origen secundario. Las campañas sí han permitido identificar que existen considerables gradientes espaciales y, en menor medida, también estacionales en la ciudad. Gracias a la comparación con mediciones previas en las mismas ubicaciones se puede concluir que los niveles de concentración de partículas (PM2,5 y PM10) y SO2 se han reducido considerablemente en la última década, mientras que el NO2 ha aumentado, presumiblemente por el intenso crecimiento de las emisiones del tráfico rodado.
La simulación con CALPUFF permitió determinar y analizar a través de mapas de concentración en superficie, los gradientes espaciales y excedencias del conjunto de todas las fuentes para cada uno de los principales contaminantes: SO2, NO2, CO, PM10 y PM2.5, conformando esta información el criterio ambiental (concentraciones relevantes para efectos en salud crónicos y agudos y excedencias de los límites legalmente establecidos en Ecuador) en el análisis de idoneidad. A esto se suman los criterios de tipo social propuestos en este trabajo: población expuesta y justicia ambiental. Esto constituye la segunda etapa, que culmina con la determinación las zonas potenciales de vigilancia de calidad del aire para la definición final de la red. El análisis concluyó que las zonas con mayor aptitud (las 3 categorías más altas en una escala de 10) cubren aproximadamente un 5 % de la superficie total del dominio de simulación.
Finalmente, en una tercera etapa y a partir de las zonas prioritarias determinadas en la segunda, se tomó en cuenta la fuente dominante de acuerdo con el análisis de contribución de fuentes, para incluir una distribución equilibrada de estaciones de tráfico, industrial y de fondo urbano ya que la información que proporcionan es complementaria. Considerando, además, que la normativa ecuatoriana sobre calidad del aire no contempla criterios para definir el número mínimo de estaciones a instalar en un área urbana como la de Guayaquil, en función del número de habitantes, se utilizó la normativa europea (Directiva 2008/50/EC) como referencia. Como resultado final de la Tesis, se propone un diseño que consta de 12 estaciones de vigilancia: 4 estaciones de tráfico, 3 estaciones industriales, 4 de fondo urbano, 1 de fondo suburbano, que pueda ayudar a valorar la evolución de la calidad del aire en la ciudad, el impacto de posibles medidas de reducción de emisiones y, en última instancia, la protección de la salud de los habitantes de la ciudad. Además de incluir esta propuesta, en la Tesis se discuten las principales limitaciones del trabajo realizado y se plantean líneas de investigación futuras para mejorar los resultados obtenidos y seguir avanzando en el apoyo científico para la gestión de la calidad del aire de Guayaquil.
ABSTRACT
The minimization of the impact produced by air pollution in urban environments should be based on an adequate air quality management system. One of the main elements to that end is the implementation of an air quality monitoring network (AQMN). A suitable monitoring strategy would yield reliable and representative information on the concentration of the main pollutants, allowing the assessment of the compliance with local legislation as well as the ambient pollution levels the population is exposed to. Moreover, it would be able to inform on the outcome of emission abatement plans and measures. Therefore, a well design AQMN it is a key instrument for the evaluation and management of urban air quality. The optimal design of an AQMN should be based on a multi-criteria and multi-pollutant methodology to ensure that the network provides representative information to minimize the impact of air pollution. Thus, the absence of this kind of infrastructure in the city of Guayaquil (Ecuador) is a major limitation to advance in the air quality in that urban area, the second largest in the country.
Based on this and considering the requirements, advantages and limitations of the different methodological approaches described in this study, a multi-criteria and multi-pollutant methodology has been developed and applied to fulfil the main objective of this PhD Thesis which is the design an AQMN specifically for the city of Guayaquil. The network proposal is based on the combination of a set of criteria by means of the analytical techniques provided by a geographic information system (GIS).
In this analysis, the criteria selected to assign optimal locations are represented in raster layers, which are ranked on a common scale and weighted according to predefined priorities. The weighted scores for each criterium are spatially overlapped to calculate the sum of the weighted scores and produce a final suitability map. Potential locations for the study area are those with the highest sums of weighted scores.
The main advantage of using a GIS is that it organizes geographic data in such a way that the design process becomes systematic. In addition, it creates results that can be visualized on interactive maps which will further simplify the decision-making process.
The multi-criteria and multi-pollutant methodology used in this PhD Thesis encompasses three stages: the first consists of implementing and applying an air quality modeling system using predictive mathematical techniques, specifically state-of-the-science deterministic models used for research and regulatory applications. This modeling system is used to generate the layers of environmental criteria related to the concentration levels of the main pollutants.
Specifically, the research carried out in this PhD Thesis is based on the Puff-Gaussian dispersion model called CALPUFF. However, due to the lack of input data to support the application of the model, it was necessary to generate the required information regarding meteorology and emissions in the city. To fulfil the first requirement, the latest generation meteorological model (WRF, Weather Research and Forecasting) has been implemented and run. The outputs from this Eulerian, area-limited, 3D model have been used to feed the non-stationary CALMET model, which is responsible for generating three-dimensional meteorological fields compatible with the CALPUFF dispersion model. The WRF/CALMET suite has been evaluated against observations of basic meteorological variables (wind and temperature) available at the José Joaquín de Olmedo International Airport in Guayaquil with satisfactory results. Regarding emissions, and given the absence of an updated local inventory, an a city-scale emission estimate of the main pollutants (SO2, NOX, CO, PM10 and PM2.5) was carried out for the five most important sectors: thermal power plants, manufacturing industries, ports, the airport and road transportation. For the latter, the IVE (International Vehicle Emissions) model was applied, which required collecting information on the composition and age of the circulating fleet, traffic intensity and other relevant variables. In addition to serving as an essential input for the simulation system, the compilation of the inventory made it possible to identify the main emission sources in the city. While most of the SO2 (71%) comes from power generation in thermoelectric plants, road traffic is the main emitter for the rest of compounds, with emission shares as high as 87% and 94% for NOX and PM2.5 , respectively. With these inputs, the CALPUFF model was run for the entire year 2018, which provided an estimate of the average annual concentrations all over the city for the first time. The simulation provided information on daily and hourly maximums and was used to support a source contribution analysis, which confirmed the relevance of road traffic, not only in terms of emissions but also in terms of air quality. Unlike the meteorological simulation, it has not been possible to assess the performance of the air quality modelsince no air quality observations are available in the city, preventing from assessing the reliability of the results obtained. To partially alleviate this limitation, two short experimental campaigns were carried out to provide information on the concentration levels of the main pollutants covered in this research. The location of the sampling points and the differences in the simulated and monitoring periods prevent a direct comparison of the campaign data with the concentrations predicted by the model. However, experimental observations allow infering that the model significantly underestimates pollution levels, especially for PM, a pollutant, more affected, in principle, by sources not included in the inventory and with a notable contribution from particles of secondary origin. The campaigns have made it possible to identify that there are considerable spatial and, to a lesser extent, seasonal gradients in the city. Thanks to the comparison with previous measurements in the same locations, it can be concluded that the concentration levels of particles (PM2.5 and PM10) and SO2 have been reduced considerably in the last decade, while NO2 has increased, presumably due to the intense growth of road traffic emissions.
The simulation with CALPUFF made it possible to analyze the spatial gradients and exceedances of SO2, NO2, CO, PM10 and PM2.5, through ground-level concentration maps. This information is key to produce scores for the environmental criteria (relevant averaging periods related to chronic and acute health effects and exceedances of the Ecuadorian air quality standards in the suitability analysis. In addition, exposed population and environmental justice are included as social criteria in this research. This constitutes the second stage, which concludes with the identification of optimal areas for air quality surveillance. The analysis pointed out that the areas with the most suitable areas (those ranked in the highest 3 categories on a scale of 10) cover approximately 5% of the total area of the simulation domain.
Finally, in the third stage and based on the priority areas determined in the previous one, the dominant source according to the source contribution analysis was used to include a balanced distribution of traffic, industrial and urban background stations since the information they provide is complementary and all of them are needed for a comprehensive air quality monitoring strategy.
Considering that Ecuadorian regulations on air quality do not contemplate criteria to define the minimum number of stations required in an urban area such as Guayaquil, the European criteria based on based on the number of inhabitants in the city (Directive 2008/50 /EC) were used as a reference. As a final result of the PhD Thesis, an AQMN consisting of 12 monitoring stations: 4 traffic stations, 3 industrial stations, 4 urban background, and 1 suburban background was proposed. This network could support the assessment of air quality trends in the city as well as the impact of possible emission reduction measures and, ultimately, help protecting the health of the city's inhabitants. In addition to the AQMN design, this PhD Thesis discusses the main limitations of the work carried out and identifies future research areas to improve the results obtained and provide further scientific support to air quality management in Guayaquil
Molecular mechanisms involved in the response of Arabidopsis thaliana to the phytophagous mite Tetranychus urticae
No full textLas plantas coexisten con patógenos y plagas. Las consecuencias de la interacción planta-patógeno o planta-plaga se traduce en tejidos dañados, restricción del crecimiento o pérdida de rendimientos de la planta. Para mitigar estos efectos, las plantas han desarrollado una gran cantidad de mecanismos de detección, señalización y respuesta frente a enemigos bióticos. En este trabajo, estudiamos diferentes moleculares implicados en cada paso, desde la percepción hasta las respuestas finales de defensa, cuando el ácaro polífago Tetranychus urticae se alimenta de la planta modelo Arabidopsis thaliana.
Los eventos de señalización son el objetivo principal de este proyecto. Para ello, se realizó una revisión de las quinasas inducidas por herbívoros. Principalmente, estas quinasas están implicadas en la percepción, como el grupo de las RLK-Pelle, o en la transducción de señales, como las quinasas dependientes de calcio, o las “Mitogen Activated Protein Kinases (MAPKs)”. Dentro de este grupo, se ha esclarecido el papel de dos MAPKs implicadas en el primer paso de la cascada de señalización de estas proteínas, MAPKKK17 y MAPKKK21, altamente expresadas en respuesta al ácaro. Estas quinasas mostrando papeles antagónicos en la respuesta de defensa de la planta. Mientras que MAPKKK17 es un activador de la señalización que mejora la defensa contra T. urticae, MAPKKK21 es un regulador negativo de la defensa de la planta. Por otro lado, se han realizado experimentos adicionales para analizar el papel de defensa del gen PP2A5 frente a ácaros. La proteína PP2A5 está formada por un dominio TIR, probablemente implicado en señalización, y un dominio lectina, que puede ser relevante en señalización y es potencialmente tóxico. Para determinar la relevancia de cada dominio en la defensa de la planta, se generaron plantas transgénicas de Arabidopsis utilizando los dos dominios independientemente, comprobándose la importancia del dominio lectina en la defensa frente al ácaro. Por último, se comprobó la utilidad biotecnológica en cultivos de una hidroxinitrilo liasa de Arabidopsis (AtHNL) inducida por T. urticae y que participa en la defensa de la planta. Se transformaron plantas de Solanum tuberosum con el gen AtHNL, cuya proteína cataliza una reacción para producir cianuro, y se determinó su papel defensivo. Se utilizaron tres especies plaga de patata, el ácaro T. urticae, el lepidóptero Spodoptera exigua y el coleóptero Leptinotarsa decemlineata, encontrándose pequeños efectos frente al ataque del ácaro.
En conjunto, los resultados obtenidos en este trabajo han contribuido a incrementar nuestro conocimiento en distintos pasos que conectan percepción y respuesta frente a plagas. Más investigaciones son necesarias para comprender la complejidad de las rutas implicadas en la defensa de la planta.
ABSTRACT
Plants coexist with pathogens and pests. Plant-pathogen and plant-pest interactions result in tissue damage, growth restriction, and yield losses. To mitigate these effects, plants have developed a huge number of mechanisms to detect, signal, and reply against biotic foes. In this work, we study molecular mechanisms involved in each step, from plant perception to final defense responses, after feeding the polyphagous mite Tetranychus urticae on the model plant Arabidopsis thaliana.
Signaling events are the main objective of this project. For that, we review the plant kinases induced by herbivory. Mainly, they are involved in perception, like the RLK-Pelle receptors, or participate in signal transduction, like the calcium kinases or the Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs). Regarding this group, it has been elucidated the function of two MAPKs from the first step of the MAPKs cascade, MAPKKK17 and MAPKKK21, highly expressed after mite attack. These kinases showed an antagonist role in plant defense. Whereas MAPKKK17 is a signal activator that enhances defense against mites, MAPKKK21 is a negative regulator of plant defense. On the other hand, experiments have been performed to further characterize the known role of the PP2A5 gene in Arabidopsis defense against mites. PP2A5 contains a TIR domain, putatively involved in signaling, and a lectin domain that can be relevant in signaling and is potentially toxic. To determine the relevance of each domain in plant defense, transgenic Arabidopsis plants were generated using the individual domains. The importance of the lectin domain in the defense against mites was determined. Finally, it was tested the biotechnological use in a crop, of an Arabidopsis hydroxynitrile lyase (AtHNL) induced by mites and participating in plant defense. Solanum tuberosum plants were transformed with AtHNL gene, whose encoded protein catalyzes a reaction to produce cyanide, and its defensive role was determined. Three pests, the lepidopteran Spodoptera exigua, the coleopteran Leptinotarsa decemlineata, and the mite T. urticae, were used to perform feeding assays. Slight effects of the AtNHL gene against T. urticae were only found.
Overall, results obtained in this work have contributed to increasing our knowledge on some steps connecting perception and response against pests. Further research is needed to fully understand the complexity of the pathways involved in plant defense
Determinants of virus seed transmission in Arabidopsis thaliana
No full textLa capacidad de transmisión es un factor clave para los patógenos, ya que en última instancia determina su eficacia biológica. Los virus de plantas no son una excepción y han evolucionado diversos mecanismos para garantizar su transmisión. La mejor caracterizada es la transmisión horizontal, de planta a planta, que se logra por contacto directo o por vectores. Si bien es muy importante para la epidemiología de la mayoría de los virus de plantas, la transmisión horizontal está lejos de ser su única forma de dispersión. La transmisión vertical, el paso del virus de una generación del huésped a la siguiente a través de semillas, forma parte del ciclo de vida de al menos una cuarta parte de los virus de plantas conocidos, y para algunas especies, como lo virus crípticos o persistentes, es la única forma de infectar a nuevos huéspedes. Este modo de transmisión es de gran importancia epidemiológica: permite a los virus de plantas sobrevivir dentro de la semilla mientras esta se mantenga viable y viajar grandes distancias sin la necesidad de vectores, dándoles la oportunidad de emerger en nuevas poblaciones de huéspedes donde pueden iniciar epidemias muy graves. Sin embargo, muchos aspectos del viaje del virus para llegar a los órganos reproductivos de la planta y de su vida dentro de las semillas siguen sin entenderse bien. Esta tesis tiene como objetivo mejorar la comprensión del proceso de transmisión por semilla de los virus de plantas centrándose en la interacción del virus del mosaico del pepino (Cucumber mosaic virus, CMV) y el virus del mosaico del nabo (Turnip mosaic virus, TuMV) con su huésped natural Arabidopsis thaliana.
Para invadir las semillas, los virus de plantas necesitan colonizar los tejidos reproductivos de la planta durante un intervalo de tiempo que es generalmente muy corto: mientras el embrión aún esté conectado a los tejidos maternos o durante la gametogénesis y antes de la fecundación. En base a esto, se analizaron diferencias en la cinética de las infecciones de CMV y TuMV, midiendo la velocidad a la cual el virus invade las estructuras reproductivas de la planta y el nivel de acumulación viral en dichas estructuras. Se analizó también el efecto de la infección sobre los pesos de la roseta e inflorescencia, y sobre la producción y supervivencia de las semillas. Todos estos factores se incluyeron en un análisis multivariante para estudiar su efecto conjunto sobre la eficacia en la transmisión por semilla de ambos virus en A. thaliana. El resultado de estos análisis indicó que los mejores predictores de la transmisión por semilla en ambos virus eran la multiplicación viral en la inflorescencia y la velocidad de movimiento del virus dentro de la planta.
Estudios epidemiológicos recientes indican que las infecciones virales mixtas son tanto o más frecuentes que las simples, tanto en ecosistemas silvestres como en agroecosistemas. Las interacciones que se establecen entre los virus pueden modular el proceso de infección, por ejemplo, alterando el nivel de multiplicación y la capacidad de colonización del huésped de los virus de plantas. Esto a su vez puede modificar la eficiencia de transmisión, incluyendo la de transmisión por semilla. Para estudiar estos efectos, se analizaron diferentes parámetros de la infección en situaciones de co- y super-infección de TuMV y CMV en A. thaliana, cuantificando su efecto sobre la multiplicación viral, virulencia y transmisión por semilla de ambos virus, que fueron posteriormente comparados con los resultantes en infecciones simples. Los resultados indicaron que las infecciones mixtas afectan a la multiplicación viral, virulencia y transmisión por semilla de ambos virus independientemente del tratamiento (co- o super-infección). El nivel de multiplicación de ambos virus en la roseta aumentó a consecuencia de la infección mixta, mientras que en la inflorescencia sólo lo hizo el de TuMV, a costa de reducirse la acumulación de CMV en esos tejidos. El incremento de la virulencia a causa de la infección mixta fue relativamente pequeño al compararlo con infecciones simples de TuMV, pero mucho más grande comparándolo con la virulencia mostrada por CMV en infección simple. Finalmente, aunque CMV mostró mayor transmisión por semilla que TuMV en infección simple, la infección mixta invirtió esta tendencia, incrementando la eficacia de transmisión por semilla de TuMV y reduciendo drásticamente la de CMV. Por tanto, una mayor trasmisión de TuMV en infecciones mixtas correlaciona con una mayor multiplicación en las estructuras reproductoras de la planta, indicando que los factores que controlan la transmisión por semilla en infecciones simples lo hacen también en las mixtas.
Usando los resultados anteriormente descritos como guía, se identificaron también los determinantes genéticos de la transmisión por semilla de CMV en A. thaliana. Mientras que la mayoría de los estudios previos están basados en análisis de loci de efecto cuantitativo (Quantitative Trait Loci, QTL), en esta tesis se ha usado un estudio de asociación del genoma completo (Genome-Wide Association Studies, GWAS), lo que ha permitido un análisis más preciso de los determinantes anteriormente mencionados. Con este objetivo, se estimó la transmisión por semilla de CMV en 165 genotipos de A. thaliana provenientes de la Península Ibérica. Este fenotipo sirvió como base para el GWAS que identificó 108 SNPs relacionados con la transmisión por semilla de CMV. Tras el proceso de anotado funcional, se centró el análisis en 25 genes candidatos, cuya función está relacionada con el control de la multiplicación viral y colonización del huésped, el desarrollo reproductivo del huésped y la formación de gametos y semillas. De estos 25, 10 genes contenían SNPs de efecto mayor. Otros 3 SNPs de efecto mayor se localizaron en genes que no pertenecían a las categorías anteriormente mencionadas, pero cuya función afectaba a procesos que podrían influir en la infección viral. Estos análisis suponen uno de los estudios más detallados de los determinantes de transmisión por semilla de virus de plantas que existen hasta la fecha.
Los determinantes genéticos de la transmisión por semilla no se encuentran sólo en el huésped, sino que también se encuentran en el genoma viral. Para identificar estos marcadores en el genoma de CMV, se mapearon los cambios a nivel de secuencia de nucleótidos de un genotipo de CMV después de su adaptación a la transmisión por semilla en A. thaliana. Se observó que la mayoría de los cambios se localizaban en los extremos 3’ no codificantes de los tres ARN genómicos del virus, con la excepción de un cambio no sinónimo en el marco abierto de lectura que codifica para la proteína 1a en el ARN1 de CMV. Dado que estas regiones genómicas están relacionadas con el proceso de multiplicación viral, que es determinante para la transmisión por semilla, se decidió estudiar el impacto estructural de las mutaciones identificadas. Los cambios nucleotídicos alteraron la estructura secundaria del extremo 3’ no codificante del ARN3 de CMV, así como la estructura tridimensional de la proteína 1a, codificada por el ARN1 del virus. Estos resultados sugieren que CMV se adapta a la trasmisión por semilla mediante cambios en regiones del genoma que afectan a la multiplicación viral.
En resumen, los resultados de esta tesis contribuyen a incrementar el conocimiento científico de un modo de trasmisión de virus de platas tan importante como poco conocido, y destacan que se trata de un proceso multifactorial determinado tanto por componentes genéticos del virus como del huésped.
ABSTRACT
Transmission capacity is a key factor for pathogens, as it ultimately determines their fitness. Plant viruses are no exception and have evolved varied mechanisms to ensure their transmission. The best characterized is the horizontal transmission, from plant to plant, which is achieved by direct contact or by vectors. Although very important for the epidemiology of most plant viruses, horizontal transmission is far from being their only way of spread. Vertical transmission, the passage of the virus from one host generation to the next via seeds, is part of the life cycle of at least a quarter of known plant viruses, and for some species, such as cryptic or persistent viruses, it is the only way to infect new hosts. This mode of transmission is of great epidemiological importance: it allows plant viruses to survive inside the seed as long as it remains viable and to travel long distances without the need for vectors, giving them the opportunity to emerge into new host populations where they can initiate damaging epidemics. However, many aspects of the virus's journey to reach the reproductive organs of the plant and of its life within the seeds remain poorly understood. This thesis aims to improve the understanding of the plant virus seed transmission process by focusing on the interaction of Cucumber mosaic virus (CMV) and Turnip mosaic virus (TuMV) with its natural host Arabidopsis thaliana.
To invade the seeds, plant viruses need to colonize the plant reproductive tissues during a time frame that is generally very short: while the embryo is still connected to the maternal tissues or during gametogenesis and before fertilization. Based on this, differences in the kinetics of CMV and TuMV infections were analyzed, measuring the speed at which the virus invades the reproductive structures of the plant and the level of viral accumulation in said structures. The effect of the infection on the rosette and inflorescence weights, and on the production and survival of the seeds was also analyzed. All these factors were included in a multivariate analysis to study their joint effect on the efficacy of seed transmission of both viruses in A. thaliana. The results of these analyses indicated that, for both viruses, the best predictors of seed transmission were viral multiplication in the inflorescence and their within-host speed of movement.
Recent epidemiological studies indicate that viral mixed infections are as frequent or more than single ones, both in wild- and agro-ecosystems. The interactions that are established between the viruses can modulate the infection process, for example, by altering the viral multiplication level and the colonization capacity of the host. This in turn can modify transmission efficiency, including that of seed transmission. To study these effects, different infection parameters were analyzed in situations of co- and super-infection of TuMV and CMV in A. thaliana, quantifying their effect on viral multiplication, virulence, and seed transmission of both viruses, which were subsequently compared to those resulting from single infections. The results indicated that mixed infections affect viral multiplication, virulence, and seed transmission of both viruses regardless of treatment (co- or super-infection). The multiplication level in the rosette increased for both viruses as a result of the mixed infection, while in the inflorescence only that of TuMV did, at the cost of reducing the accumulation of CMV in those tissues. The increase in virulence due to mixed infection was relatively small when compared to TuMV single infections, but much larger compared to the virulence shown by CMV single infections. Finally, although CMV showed greater seed transmission than TuMV in single infections, mixed infection reversed this trend, increasing the seed transmission efficiency of TuMV and drastically reducing that of CMV. Therefore, a greater transmission of TuMV in mixed infections correlates with a greater multiplication in the reproductive structures of the plant, indicating that the factors that control seed transmission in single infections do it so in mixed infections.
Using the results described above as a guide, the genetic determinants of CMV seed transmission in A. thaliana were also identified. While most previous studies are based on Quantitative Trait Loci (QTL) analysis, a Genome-Wide Association Study (GWAS) has been used in this thesis, which has allowed a more precise characterization of the previously mentioned determinants. With this objective, CMV seed transmission was estimated in 165 A. thaliana genotypes from the Iberian Peninsula. This phenotype served as the basis for the GWAS, which identified 108 SNPs related to CMV seed transmission. After the functional annotation process, the analysis was focused on 25 candidate genes, whose function is related to the control of viral multiplication and colonization of the host, the reproductive development of the host, and the formation of gametes and seeds. Of these 25, 10 genes contained major effect SNPs. Another 3 SNPs with a greater effect were located in genes that did not belong to the aforementioned categories, but whose function affected processes that could influence viral infection. These analyses represent one of the most detailed studies of the determinants of plant virus seed transmission that exist to date. \ud
The genetic determinants of seed transmission are not only found in the host, but also in the viral genome. To identify these markers in the CMV genome, changes at the nucleotide sequence level of a CMV genotype after its adaptation to seed transmission in A. thaliana were mapped. Most of the changes were found to be located at the 3' non-coding ends of the three virus genomic RNAs, with the exception of one non-synonymous change in the open reading frame encoding protein 1a in CMV RNA1. Since these genomic regions are related to the viral multiplication process, which is determinant for seed transmission, it was decided to study the structural impact of the identified mutations. The nucleotide changes altered the secondary structure of the 3' non-coding end of CMV RNA3, as well as the threedimensional structure of protein 1a, encoded by the virus RNA1. These results suggest that CMV adapts to seed transmission through changes in genomic regions that affect viral replication.
In summary, the results of this thesis contribute to increasing scientific knowledge of a plant virus mode of transmission that is as important as it is little known, and highlight that it is a multifactorial process determined by both genetic components of the virus and the host