CC BY
20
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 633.521:631.527
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИСКРИМИНАНТНОГО АНАЛИЗА В ОРИГИНАЛЬНОМ СЕМЕНОВОДСТВЕ ЛЬНА МАСЛИЧНОГО
Е. Л. Андроник, канд. с.-х. наук, доцент
РУП «Институт льна», Республика Беларусь, т. 8 0216 27 21 79, e-mail: [email protected]
Анализ литературных источников выявил увеличение роли многомерного анализа данных в различных областях научных исследований. В статье дается обоснование целесообразности использования дискриминантного анализа при ведении питомников размножения и маточной элиты льна масличного при отборе элитных растений в целях поддержания сортовой типичности по фенотипу растения. Установлено, что длина и ширина лепестка являются главными переменными, которые позволяют производить дискриминацию между различными сортами льна масличного, обеспечивая создание партий оригинальных семян с высокими сортовыми свойствами.
Ключевые слова: лен масличный, урожайность семян, дискриминантный анализ, элитные растения.
Введение. Сложность и важность задач, стоящих перед семеноводством, требует дальнейшей разработки и совершенствования применяемых способов и методов работы [1]. Развитие исследований в этом направлении имеет исключительно важное значение, как теоретическое, так и практическое, вследствие экспериментального обоснования повышения посевных качеств семян и формируемых из них популяций [2]. Привлечение современных подходов к поддержанию в сортовых популяциях требований ООС (однородности, отличимости, стабильности) позволяет снизить использование ручного труда при проведении сортовых прочисток и прочих операций, применяемых в оригинальном семеноводстве самоопыляющихся культур.
Любой сорт, выращиваемый даже в небольших объемах, - это открытая система, существующая в условиях воздействия многих факторов, способствующих возникновению неконтролируемых гетерозигот. Это спонтанный мутационный процесс, возникающий в меняющихся погодных условиях внешней среды. Более того, он находится в непосредственной зависимости
от сроков хранения семян [3, 4]. Хорошо описана в литературе спонтанная гибридизация у пшеницы, овощных и ряда других культур, относящихся к типичным самоопылителям [5, 6].
Целью наших исследований являлось определение целесообразности использования математических критериев оценки для снижения трудоемкости отбора растений льна масличного и повышения эффективности формирования первоначальной популяции ПР 1 г, определяющей необходимый уровень генетической однородности в последующих генерациях.
Методика исследований. В настоящее время оригинальное семеноводство в РУП «Институт льна» ведется по четырем сортам льна масличного, которые рекомендованы для возделывания на территории Республики Беларусь [7], со следующими свойствами и признаками (рис. 1).
Сравнение сортов между собой показывает, что каждый новый сорт, который рекомендован для возделывания, имеет достаточно четкую тенденцию по увеличению урожайности маслосемян и сбору растительного масла.
35 30 25 20 15 10 5 0
30,6
¿1,4 43,2 26,6 26,4
41,9 , , ,
14,9 "14,2 16 43,9
41,2 1
49 47 45 43 41 39 37 35
Опус
И л им
Салкл
Фокус
Средняя урожайность семян, и/га | I Максимальная урожайность семян, ц/га —-А-- Содержание масла, %
Рис. 1. Средняя, максимальная урожайность семян и содержание масла в сортах льна масличного (Государственное сортоиспытание РБ)
Специфичность семеноводческой работы со льном масличным осложнена отсутствием четко определяемых морфологических различий между сортами. Эффективность работы в первичном семеноводстве по поддержанию сортовой однородности и размножению элитных семян зависит от применяемой методики отбора типичных для сорта растений и оценки их типичности.
Благодаря развитию вычислительных средств разработка и внедрение в практику ведения семеноводства новых методов анализа растений является на сегодняшний день важной задачей. В связи с этим в РУП «Институт льна» ведется работа в направлении поиска и изучения новых признаков, которые могут использоваться при разработке более совершенных и эффективных методов отбора и оценки исходных растений с целью создания оригинальных семян льна масличного [8, 9]. Апробацион-ные признаки, которые контролируются при апробационной оценке агроценоза и отборе маточных растений, связаны, главным образом, с морфологическими признаками, представленными в таблице 1.
Закладку питомников отбора, их агротехнику проводили по методике, разработанной ВНИИЛ. В питомнике были высеяны семена сортов льна масличного Салют, Опус и Илим. Почва опытных участков дерново-подзолистая легкосуглинистая, развивающаяся на лессовидном суглинке, подстилаемом с глубины 1 метра моренным суглинком.
Во время вегетации были проведены учеты болезней на посевах льна масличного. У всех изученных сортов в 2014 году суммарное развитие болезней не превышало 10 %, в 2015 году - 7,1 %, что свидетельствовало о возможности получения здоровых семян, соответствующих требованиям посевного стандарта.
Питомник закладывали в поле на выровненном почвенном фоне, посев ленточный двухстрочный с междурядьями 10x40 см. Длина каждой ленты посева 20 м. По обоим краям питомника (на расстоянии 40 см от ленты) высевали защитные рядки, с внешней стороны которых размещали дорожки шириной 6 м. Количество лент двухстрочного посева - 8.
Таблица 1
Морфологические признаки районированных сортов льна масличного
белорусской селекции
Сорт Высота растений Окраска Семена Коробочка
Бутон Венчик Размер Окраска Размер Форма
Опус Высокий Фиолет Голубая Средний Коричневая Средняя Шаровидная
Илим Средний Фиолет Голубая Средний Светло-коричневая Средняя Шаровидная
Салют Низкий Фиолет Голубая Средний Коричневая Средняя Шаровидная
Нива Поволжья № 3(44) август 2017 3
Итоги анализа дискриминантных функций
Таблица 2
N=150 Уилкса лямбда Частная лямбда F-исключе-ние (2,144) р-уровень Толерантность R-квадрат
2014 год (лямбда Уилкса: 0,04230, прибл. F (8,288) =139,04 p<0,0000..)
Ширина лепестка 0,193944 0,218087 258,1436 0,000000 0,811539 0,188461
Длина лепестка 0,063802 0,662941 36,6070 0,000000 0,797866 0,202134
Высота коробочки 0,048538 0,871414 10,6243 0,000050 0,701090 0,298910
Ширина коробочки 0,044439 0,951794 3,6466 0,028516 0,705658 0,294342
2015 год (лямбда Уилкса:, 05226 прибл. F (6,290)=163,10 p<0,0000..)
Ширина лепестка 0,351691 0,148592 415,4127 0,000000 0,819156 0,180844
Длина лепестка 0,079473 0,657564 37,7555 0,000000 0,797722 0,202278
Ширина коробочки 0,055211 0,946531 4,0955 0,018612 0,970235 0,029765
Во время цветения на цветах первого порядка ветвления измеряли длину и ширину лепестков у 50 цветков каждого сорта. После этого цветки этикировали. Проводили сортовую и видовую прочистки. После уборки у отмеченных растений были измерены высота и ширина коробочек.
Дискриминантный анализ проводили в программе Statistica 6 модуль Discriminant Analysis [10-14].
Результаты исследования.
Для проведения дискриминантного анализа были приняты предположения о том, что наблюдаемые величины - измеряемые характеристики объекта - имеют нормальное распределение (это предположение проверяли путем построения гистограмм) и что дисперсии и ковариации наблюдаемых переменных в разных классах однородны (т. е. отличие между классами только в средних). В обоих случаях получены умеренные отклонения от этих предположений, которые являются допустимыми. Результаты дискриминантного анализа представлены в таблице 2.
Частичная статистика «лямбда Уилкса» показывает, что переменная «Ширина лепестка» дает достоверный максимальный вклад в общую дискриминацию в оба года исследований, переменная «Длина лепестка» - вторая по значению вклада, переменная «Высота коробочки» - третья по значению вклада и переменная «Ширина коробочки» вносит в общую дискриминацию минимальный вклад.
На каждом шаге программа вычисляла для каждой переменной множественную корреляцию ^-квадрат) со всеми другими переменными. Значение толерантности (мера избыточности переменной) вычисляли как 1 минус R-квадрат. На этой стадии исследования заключили, что размеры лепестков являются главными переменными, которые позволяют производить дискриминацию между тремя сортами льна масличного. Для получения дальнейших результатов о природе дискриминации проводили канонический анализ, определяли, являются ли обе дискриминантные функции статистически значимыми (табл. 3).
Приведённые данные дает отчет о пошаговом критерии с включением для всех канонических корней. В нашем случае обе дискриминантные (или канонические) функции статистически значимы. Соответственно получим две отдельных интерпретации, так как размеры лепестков и коробочек позволяют нам определять различия между сортами льна масличного.
Первая дискриминантная функция взвешивается наиболее сильно шириной лепестка (табл. 4). Вторая функция отмечена главным образом переменной «длина лепестка». В таблице приведены собственные значения для каждой дискриминантной функции и кумулятивная доля объясненной дисперсии, накопленной каждой функцией. Как видно, первая функция наиболее значима.
Таблица3
Критерий «хи-квадрат» с последними исключенными корнями
Корни исключенные Собств. знач. Канонич. R Уилкса лямбда Хи-квад. р-уровень
2014 год
0 13,52065 0,964952 0,042297 460,2231 0,000000
1 0,62820 0,621147 0,614176 70,9274 0,000000
2015 год
0 11,70739 0,959847 0,052259 430,9265 0,000000
1 0,50587 0,579595 0,664070 59,7677 0,000000
2014 год
2015 год
Рис. 2. Диаграмма средних канонических переменных параметра «длина лепестков»
льна масличного
Нива Поволжья № 3(44) август 2017 5
Таблица 4
Стандартизированные коэффициенты для канонических переменных
Переменная Дискриминантная функция
1 2
2014 год
Ширина лепестка -1,01155 0,166770
Длина лепестка 0,23966 -0,977915
Высота коробочки -0,24474 0,575168
Ширина коробочки -0,22120 -0,242848
Собств. значение 13,52065 0,628197
Кумулятивная доля 0,95560 1,000000
2015 год
Ширина лепестка -1,04064 -0,352187
Длина лепестка 0,13724 1,107337
Ширина коробочки -0,18246 0,269712
Собств. значение 11,70739 0,505865
Кумулятивная доля 0,95858 1,000000
Следующая задача заключалась в том, чтобы определить природу дискриминации для каждой дикриминантной функции (табл. 4).
Таблица 5
Средние канонических переменных
Сорт Дискриминантная функция
1 2
2014 год
Илим -3,01159 0,154327
Опус 2,07664 0,533469
Салют 0,93495 -0,687797
2015 год
Илим -4,58514 0,288257
Опус 3,49351 0,681282
Салют 1,09162 -0,969539
Первая дискриминантная функция отделяет главным образом сорт Илим от других сортов льна масличного. Вторая дис-криминантная функция предназначена для выделения главным образом сорта Салют из других сортов. Таким образом, чем шире, но короче лепестки, становится более вероятно, что это сорт льна масличного Илим. Чем длиннее лепестки, то более вероятно, что это сорт льна масличного Салют (рис. 2).
Априорные вероятности могут сильно повысить точность классификации (табл. 6).
Непосредственно можно вычислить вероятность того, что то или иное растение принадлежит определенному сорту. Так как имеется ровно 50 цветков каждого сорта, выбираем эти вероятности пропорционально объемам выборок. Вероятности для
каждой совокупности одинаковы и равны 1/3. Столбцы дают число случаев правильной и неправильной классификации для каждой совокупности, что видно на фрагменте итоговой таблицы апостериорных вероятностей (табл. 7).
Таблица 6
Матрица классификации: строки - наблюдаемые классы; столбцы - предсказанные классы
Процент
правиль- Илим Опус Салют
ности клас- р=,3333 р=,3333 р=,3333
сификации
Илим 100,0 50 0 0
Опус 98,0 0 48 2
Салют 100,0 0 0 50
Таблица 7 Апостериорные вероятности
Наблюдение На-блюд. класс Илим р=,3333 Опус р=,3333 Салют р=,3333
1 Илим 1,000000 0,000000 0,000000
2 Илим 1,000000 0,000000 0,000000
3 Илим 1,000000 0,000000 0,000000
4 Илим 1,000000 0,000000 0,000000
*56 Опус 0,000000 0,002715 0,997285
57 Опус 0,000000 0,998561 0,001439
58 Опус 0,000000 0,997943 0,002057
59 Опус 0,000000 0,582353 0,417647
104 Салют 0,000000 0,031909 0,968091
105 Салют 0,000000 0,000779 0,999221
106 Салют 0,000000 0,031909 0,968091
107 Салют 0,000000 0,031909 0,968091
Строки, отмеченные звездочкой (*), указывают на неправильно классифицированные образцы. В нашем случае шестое растение сорта Опус (№ п. п. 56) будет удалено из формирующейся партии семян питомника размножения как не соответствующее сорту. В 2015 году таких растений не отмечено.
Выводы.
Таким образом, применяемый метод отбора в немалой мере позволяет сохранить требуемый уровень сортовой однородности партий семян сортов льна масличного, а использование дискриминантно-го анализа в семеноводстве сортов культуры позволит упростить методическую работу с недостаточно выравненными по фе-нотипическим признакам сортами.
Литература
1. Кадыров, М. А. Научно-методические, организационные и правовые аспекты оптимизации системы семеноводства в современных условиях (на примере ярового ячменя) / М. А. Кадыров // Известия Академии аграрных наук Республики Беларусь. - 1997. - № 2. - С. 27-32.
2. Московкин, Л. И. Сравнение естественного мутационного процесса в воздушно-сухих семенах двух видов - гомеологов вики посевной vicia sativa и бобов обыкновенных // Збiрник Центру наукових публ^ацш «Велес» за матерiалами мiжнародноï науково-практичноУ конференций «IV осты науковi читання», м. КиУв, 12 жовтня 2015. - КиУв: Центр наукових публ^ацш, 2015. -С. 25-30.
3. Вепрев, С. Г. Генетические возможности регуляции взаимодействия растений в посевах / С. Г. Вепрев // Популяционно-генетические аспекты продуктивности растений - Новосибирск: Наука, 1982. - С. 27-43.
4. Сизов, И. А. Закономерности развития и роста льна под влиянием внешних факторов / И. А. Сизов // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. - 1963. - Т. XXXV, вып. 3. - С. 5-20.
5. Спонтанное перекрестное опыление озимой гексаплоидной тритикале / В. С. Рубец, В. В. Пыльнев, О. В. Митрошина, А. В. Широкола // Известия ТСХА, 2013 г. - Вып. 4. - С. 32-47.
6. Бухарова, А. Р. Отдаленная гибридизация овощных пасленовых культур: монография / А. Р. Бухарова, А. Ф. Бухаров. - Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2008. - 274 с.
7. Государственный реестр сортов и древесно-кустарниковых пород / Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь; Государственное учреждение «Государственная инспекция по испытанию и охране сортов растений»; ответ. ред. В. А. Бейня. - Минск, 2016. - С. 37.
8. Создать систему семеноводства льна масличного с целью сортосмены и сортообновления: отчет о НИР / Республиканское дочернее унитар. науч.-исслед. предприятие «Ин-т льна»; рук. темы Е. Л. Андроник. - Устье, 2015. - 29 с. - № ГР 20121681.
9. Рекомендации по оригинальному и элитному семеноводству льна масличного: рекомендации / Е. Л. Андроник, И. А. Голуб, Е. В. Иванова и др. - Аг. Устье, 2016. - 31 с.
10. Буреева, Н. Н. Многомерный статистический анализ с использованием ППП «STATI-STICA» / Н. Н. Буреева // Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Применение программных средств в научных исследованиях и преподавании математики и механики». - Нижний Новгород, 2007. - 112 с.
11. Каримов, Р. Н. Основы дискриминантного анализа: учебно-методическое пособие / Р. Н. Каримов. - Саратов: СГТУ, 2002. - 108 с.: ил.
12. Кильчевский, А. В. / Дискриминантный анализ накопления 137Cs овощными растениями /
A. В. Кильчевский, А. Д. Мельничук, А. В. Крук // Агроэкология: сборник научных трудов / Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь; Учреждение образования «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия». - Горки, 2005. - Вып. 2: Экологические основы плодоовощеводства. - С. 124-129.
13. Касьяненко, А. Н. Использование многомерного статистического анализа в селекции растений / А. Н. Касьяненко // Тез. докл. Всесоюз. совещ. - Симферополь-Ялта, 1989. - С. 38-39.
14. Калинина, В. Н. Введение в многомерный статистический анализ: учебное пособие /
B. Н. Калинина. - М.: ГУУ, 2010. - 66 с.
15. Организационно-технологические нормативы возделывания кормовых и технических культур: сб. отр. регл. / РУП «НПЦ НАН Беларуси по земледелию». - Минск, 2012. - 470 с.
UDK 633.521:631.527
THE EFFECTIVENESS OF USING THE DISCRIMINANT ANALYSIS IN THE ORIGINAL SEED PRODUCTION OF OIL SEED FLAX
Ye. L. Andronik, candidate of agricultural sciences, associate professor
RUP «Institute of flax», Belarus Republic, t. 8 0216 27 21 79, e-mail: [email protected]
The analysis of literary sources showed an increase in the role of multivariate data analysis in various fields of scientific research. The article deals with reasoning for the use of discriminant analysis in managing breeding nurseries and elite breeding of oil-seed flax for the selection of elite plants in order to maintain the varietal typicality on the phenotype of the plant. It is established that the length and width of the petal are the main variables that allow discrimination between the different flax varieties, providing a batch of the original seeds with high varietal properties.
Key words: oil-seed flax, seed yield, discriminant analysis, elite plants.
Нива Поволжья № 3(44) август 2017 7
References
1. Kadyrov, M. A. Scientific and methodological, organizational and legal aspects of optimization of system of seed production in present conditions (on the example of spring barley) / M. A. Kadyrov // Iz-vestiya of Academy of agrarian Sciences of the Republic of Belarus. - 1997. - № 2. - P. 27-32.
2. Moskovkin, L. I. Comparison of natural mutation process in air-dry seeds of two types of ho-meologous wiki seed vicia sativa and common beans. - 36ip^K Центру наукових публкацш «Велес» за матерiалами 1^жнародноТ науково-практичноТ конференций «IV оЫны науковi читання», м. КиТв, 12 жовтня 2015. - КиТв: Центр наукових публкацш, 2015. - P. 25-30.
3. Veprev, S. G. Genetic possibility of regulation of interaction of plants in crops / S. G. Veprev// Population and genetic aspects of plant productivity - Novosibirsk: Nauka, 1982. - P. 27-43.
4. Sizov, I. A. The regularities of development and growth of flax under the influence of external factors / I. A. Sizov // Proc. On applied botany, genetics and selection. - 1963. - Vol. XXXV. - issue 3. -P. 5-20.
5. Spontaneous cross-pollination of winter hexaploid triticale / V. S. Rubets, V. V. Pylnev, O. V. Mi-troshina, A. V. Shirokola // Izvestiya of TAA, 2013. - Issue 4. -P. 32-47.
6. Bukharova, A. R., Distant hybridization of vegetable potato crops: monograph / A. R. Bukharova, A. F. Bukharov. - Michurinsk: Publishing house MichSAU, 2008. - 274 p.
7. The state register of varieties and wood and shrubby varieties / Ministry of agriculture and food of Republic of Belarus, State institution «State inspection for testing and protection of plant varieties» editor-in-chief V. A. Beynya - Minsk, 2016. - 37p.
8. To create a system of seed production of oil-seed flax with the purpose of variety replacement and renovation: a research report / Republics. a subsidiary unitary scientific-research enterprise «Institute of flax»; superviser of the themes Ye. L. Andronik. - Ustye, 2015. - 29 p. - No. GR 20121681.
9. Recommendations for original and elite seed production of oilseed flax: recommendations / Ye. L. Andronik, I. A. Golub, Ye. V. Ivanova et al. - Ag. Ustye, 2016. - 31 p.
10. Bureyeva, N. N. Multivariate statistical analysis using the SPT STATISTICA / N. N. Bureyeva // Educational-methodical material for training program on professional refresher courses «Application of software in scientific researches and teaching mathematics and mechanics». - Nizhny Novgorod, 2007. -112 p.
11. Karimov, R. N. Basics of discriminant analysis / R. N. Karimov: textbook — Saratov: SSTU, 2002. - 108 p.
12. Kilchevsky, A. V. / Discriminant analysis of the accumulation of 137Cs vegetable plants / A. V. Kilchevsky, A. D. Melnichuk, A. V. Kruk // Agro-ecology: collection of scientific works / Ministry of agriculture and food of the Republic of Belarus, educational establishment «Belarusian state agricultural academy». - Gorki, 2005. - Issue 2: Ecological bases of horticulture. - P. 124-129.
13. Kasyanenko, A. N. The use of multivariate statistical analysis in plant breeding / A. N. Kasyanenko // Proc. Of reports of All-Union committee. - Simferopol-Yalta. - 1989. - P. 38-39.
14. Kalinina, V. N. Introduction to multivariate statistical analysis: textbook / V. N. Kalinina. - M.: GUU, 2010. - 66 p.
15. Organizational and technological standards of cultivation of fodder and industrial crops: collection neg. reg. /RUE «SPC NAS of Belarus for arable farming». - Minsk. - 2012. - 470 p.
