Modeling the severity-yield relationship for the late season diseases in soybean

Abstract

Cercospora leaf blight and purple seed stain caused by Cercospora species, and Septoria brown spot caused by Septoria glycines, are three of the main diseases that make up the late season diseases complex in soybean, reducing grain yield and quality due to symptoms that appear with greater intensity during the reproductive stage of the crop. The datasets of late season diseases severity and yield used in this study (n = 39 trials) were obtained from field trials conducted across nine states in Brazil over four growing seasons (2020–2024) as part of a cooperative network aimed at comparing the efficacy of fungicides in controlling late season diseases. In the present study, Pearson’s correlation coefficient (r) and Fisher’s transformation (Z) were calculated to investigate the association between disease severity estimated at the critical point (between phenological stages R6 and R7) and soybean yield. Additionally, a random-effects meta-analysis was conducted to calculate the intercept (β 0 ) and slope (β 1) ) coefficients of the linear regression model. Disease pressure (low severity = ≤35% and high severity = >35%), yield class (low = ≤3,745 kg/ha and high = >3,745 kg/ha), region (trials conducted below 20°S were classified as south, and others as north), altitude (<635 m or ≥635 m above sea level), and year were included as categorical moderators that could explain at least part of the observed heterogeneity. Based on the β 0 and β 1 values, the damage coefficient (in percentage) was calculated by dividing the estimated slope by the estimated intercept and multiplying the result by 100. The economic damage threshold was also calculated based on the estimated damage coefficient, various attainable yield and fungicide efficacy values. There was a moderate negative correlation between late season diseases severity and soybean yield (Z = -0.55, r = -0.50). Furthermore, a significant negative slope obtained through random-effects meta-analytic modeling confirmed the negative linear relationship between late season diseases severity and soybean yield. The population average estimates for β 0 and β 1 were 4,589.06 kg/ha and -22.58 kg/ha per unit increase in severity, respectively, according to the random-effects model (P < 0.001). None of the categorical moderators tested as fixed effects individually affected the slope significantly (P > 0.19); however, disease pressure, yield class, and altitude significantly affected the intercept (P < 0.014). Based on the overall intercept and slope averages, the overall relative damage coefficient was estimated at -0.49% (95% CI = -0.61 to -0.38), indicating that a one percent increase in late season diseases severity would result in a 0.49% decrease in soybean yield. For fungicide efficacy ranging from 14% to 88%, the economic damage threshold ranged from 0.41% to 4.33%, with an average of 1.57%, corresponding to an average fungicide efficacy of 54%. In conclusion, we confirmed a significant negative linear relationship between soybean yield and the severity of late season diseases, particularly the complex of Cercospora leaf blight, purple seed stain and Septoria brown spot, indicating that the findings of this study can enhance integrated disease management programs under different scenarios. Keywords: Cercospora spp.; Septoria glycines; Damage coefficient; Meta-analysis.O crestamento foliar de Cercospora e a mancha-púrpura dos grãos, causadas por espécies de Cercospora, e a mancha-parda, causada Septoria glycines, são três das principais doenças que compõem o complexo de doenças de final de ciclo na soja, causando redução no rendimento e qualidade dos grãos devido aos sintomas que surgem de forma mais intensa no estágio reprodutivo da cultura. Os conjuntos de dados sobre a severidade das doenças de final de ciclo e o rendimento utilizados neste estudo foram obtidos a partir de ensaios de campo realizados em nove estados do Brasil ao longo de quatro safras de cultivo (2020-2024), como parte de uma rede cooperativa de experimentos destinada a comparar a eficácia dos fungicidas no controle das DFC (n = 39 ensaios). No presente estudo, foram calculados o coeficiente de correlação de Pearson (r) e a transformação de Fisher (Z) para investigar a associação entre a severidade da doença estimada no ponto crítico (entre os estágios fenológicos R6 e R7) e o rendimento da soja. Além disso, foi realizada uma meta-análise de efeitos aleatórios para calcular os coeficientes de intercepto (β 0 ) e inclinação (β 1 ) do modelo de regressão linear. Pressão da doença (baixa severidade = ≤35% e alta severidade = >35%), classe de rendimento (baixa = ≤3.745 kg/ha e alta = >3.745 kg/ha), região (ensaios realizados abaixo de 20°S foram classificados como sul, e os demais como norte), altitude (<635 m ou ≥635 m acima do nível do mar) e ano foram incluídos como moderadores categóricos que poderiam explicar ao menos parte da heterogeneidade observada. A partir dos valores de β 0 e β 1 , foi calculado o coeficiente de dano, dividindo-se a inclinação estimada pelo intercepto estimado e multiplicando o resultado por 100. Também foi calculado o limiar de dano econômico com base no coeficiente de dano estimado, nos diferentes valores de rendimento atingível e na eficácia dos fungicidas. Houve uma correlação negativa moderada entre a severidade das doenças de final de ciclo e o rendimento da soja (Z = -0,55, r = -0,50). Além disso, uma inclinação negativa significativa obtida através da modelagem meta-analítica de efeitos aleatórios confirmou a relação linear negativa entre a severidade das doenças de final de ciclo e o rendimento da soja. As estimativas para a média populacional do intercepto e da inclinação foram de 4.589,06 kg/ha e -22,58 kg/ha para cada unidade percentual de severidade, respectivamente, de acordo com o modelo de efeitos aleatórios (P < 0,001). Nenhuma das variáveis moderadoras testadas individualmente como efeitos fixos afetou significativamente a inclinação (P > 0,19); no entanto, as variáveis moderadoras: pressão da doença, classe de rendimento e altitude afetaram significativamente o intercepto (P < 0,014). Com base na média geral do intercepto e da inclinação, o coeficiente de dano relativo geral foi estimado em -0,49% (IC 95% = -0,61 a -0,38), indicando que um aumento percentual na severidade das doenças de final do ciclo resultaria em uma diminuição de 0,49% no rendimento da soja. Para a eficácia dos fungicidas variando de 14% a 88%, o limiar de dano econômico variou entre 0,41% e 4,33%, com uma média de 1,57%, correspondente a uma eficácia média de eficácia de fungicidas de 54%. Em conclusão, confirmamos uma relação linear negativa significativa entre o rendimento da soja e a severidade das doenças de final de ciclo, especificamente, para o complexo formado por crestamento foliar de Cercospora, mancha-púrpura dos grãos e mancha-parda, de modo que os resultados deste estudo podem aprimorar programas de manejo integrado de doenças sob diferentes cenários. Palavras-chave: Cercospora spp.; Septoria glycines; Coeficiente de dano; Meta análise