CC BY
64
- МЕХАНИЗАЦИЯ ,
удК 631.527:004.4: 004.032.26
программный комплекс для информационно-аналитической поддержки селекции сельскохозяйственных культур
А.ф. ЧЕшКоВА1, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией
А.ф. АЛЕйНИКоВ1, доктор технических наук, главный научный сотрудник
П.И. сТЁПоЧКИН2, доктор сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией
и. г. Гребенникова1, зав. лабораторией 1сибирский физико-технический институт аграрных проблем, п. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Россия
2сибирский научно-исследовательский институт растениеводства и селекции, п. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Россия E-mail: [email protected]
Резюме. Исследования проводили с целью разработки программного обеспечения для оптимизации селекционного процесса при создании сортов, обладающих требуемым сочетанием хозяйственно важных признаков. Представлен комплекс компьютерных программ, предназначенный для информационно-аналитического сопровождения на различных этапах селекционного процесса сельскохозяйственных культур. Программа «диаллельный анализ сельскохозяйственных культур» предназначенадля оценки комбинационной способности родительских форм. В ней используются методы Грифинга иХеймана для определения способности селекционного материала передавать трансгрессивное расщепление в потомстве диаллельных гибридов F1, а также в селекции на гетерозис и при создании синтетических сортов. Программа «Анализ экологической пластичности сельскохозяйственных культур» предназначена для расчёта параметров, характеризующих стабильность сортов и линий в различных условиях среды. она позволяет определять показатели интенсивности и устойчивости индекса стабильности, а также классифицировать исследуемые формы по реакции на условия возделывания. Программа «Полевые опыты. Регистрация и оценка селекционного материала сельскохо -зяйственных культур» предназначенадляхраненияданных полевых опытов и проведения интегральной селекционной оценки образцов методом скалярного ранжирования. Результирующий сводный индекс селекционной ценности вычисляется как аддитивная свертка многомерной информации с использованием весовых экспертных коэффициентов. Интегральная селекционная оценка растения количественно отображает относительную важность объекта в рассматриваемой выборке. Работа программного комплекса проиллюстрирована на примере селекции гибридов яровой тритикале. Применение программного комплекса позволит повысить точность подбора родительских пар, конкретизировать направление селекционного процесса, дифференцировать исследуемые сорта по реакции на условия возделывания, определить селекционную ценность изучаемых образцов по комплексу признаков. Ключевые слова: информационные технологии, селекция, диаллельный анализ, экологическая пластичность, селекционная оценка, компьютерная программа
Для цитирования: Программный комплекс для информационно-аналитической поддержки селекции сельскохозяйственных культур / А.ф. Чешкова, А.ф. Алейников, П.И. стёпочкин, И.Г. Гребенникова //достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №4. с. 80-82.
Для создания новых высокоурожайных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур необходимо изучение наследования признаков продуктивности растения, определения экологической приспособленности перспективных форм и линий, использования эффективных методов отбора лучших образцов по комплексу признаков [1, 2].
В условиях оснащения компьютерами важной задачей стало освоение системы компьютерного сервиса селекционных программ и генетических исследований. Пакеты
статистических, биометрико-генетических и селекционно-ориентированных программ обеспечивают планирование полевых экспериментов, а также предоставляют разнообразные средства для первичного статистического анализа данных. В процессе последующей обработки результатов полевых опытов появляется возможность планировать скрещивания, выбирать лучшие линии на основе интегральной оценки, определять стабильность признаков сортов или гибридов и решать другие задачи [3].
Цель наших исследований - разработка программного обеспечения для оптимизации селекционного процесса при создании сортов, обладающих требуемым сочетанием хозяйственно важных признаков.
Условия, материалы и методы. В ФГБНУ СибФТИ разработан комплекс компьютерных программ (КП), предназначенный для информационно-аналитического сопровождения различных этапов селекции. В его состав входят: программа для оценки комбинационной способности родительских форм методами диаллельного анализа; программа для оценки экологической пластичности сортов и линий по показателям интенсивности и устойчивости; программа для интегральной селекционной оценки образцов на основе метода скалярного ранжирования.
КП «диаллельный анализ в селекции сельскохозяйственных культур» предназначена для расчёта генетических параметров, комбинационной способности сортов и анализа исходного материала по количественным признакам. В основу ее алгоритмов положены методические рекомендации Р.А. Цильке и Л.П. Присяжной [1].
Для подбора родительских пар для скрещивания при селекции необходимы данные об общей и специфической комбинационной способности исходного материала. Методы ее оценки предопределяют схемы гибридизации.
Получение наиболее полных сведений о генетическом контроле количественного признака возможно в результате диаллельных скрещиваний. На сегодняшний день среди всех методов генетического анализа количественных признаков преобладают два способа извлечения генетической информации по результатам анализа диаллельных скрещиваний - по Гриффингу и Хейману.
В разработанной программе используются четыре основных метода Гриффинга, различающиеся по объёму экспериментального материала. Расчетные параметры предназначены для оценки способности селекционного материала передавать трансгрессивное расщепление в потомстве диаллельных гибридов F1, а также в селекции на гетерозис и при создании синтетических сортов.
Еще одна важная функция программы - сравнительный анализ родительских форм и гибридов в реципрокных скрещиваниях, что позволяет оценить вклад исследуемого количественного признака отцовского или материнского родителя в потомство. Для определения генетической детерминации признака методом Хеймана используется диаллельная схема, в которую включены родительские формы, а также гибриды от прямых и обратных скрещиваний. Это позволяет оценить такие интегральные генетические параметры признака конкретного селекционного материала, как средняя степень и направление доминирования в полиморфных локусах, приблизительное число этих локусов, распределение желательных и нежелательных аллелей и
др. Наличие таких сведений облегчает подбор оптимальной схемы селекции по хозяйственно ценным признакам.
КП «Анализ экологической пластичности сельскохозяйственных культур» предназначена для расчёта параметров, характеризующих стабильность сортов и линий в различных условиях среды. Она позволяет определять показатели интенсивности и устойчивости индекса стабильности, а также проводить классификацию исследуемых форм по реакции на условия возделывания на основе методики Удачина Р.А. [2].
Согласно выбранной методике, в основу работы программы положен следующий алгоритм (рис. 1):
в базу данных заносят результаты полевых испытаний по нескольким контрастным агрофонам, не менее чем в 3-х повторностях;
проводится расчет показателей интенсивности (Исорта) и устойчивости индекса стабильности (Усорта) для каждого из сортов, а также усредненных значений (И, У) по всем сортам, вошедшим в эксперимент;
для определения достоверного отклонения сорта по величинам показателя интенсивности и коэффициента устойчивости от таковых у гипотетического усредненного сорта осуществляется одно- и двухфакторный дисперсионный анализ;
определяется наименьшая существенная разность показателей интенсивности (НСРИ) и коэффициентов устойчивости (НСРУ);
проводится классификация сортов по степени отзывчивости на оптимальный агрофон через показатель интенсивности и по степени устойчивости индекса стабильности.
КП «Полевые опыты. Регистрация и оценка селекционного материала сельскохозяйственных культур» предназначена для хранения данных, полученных в результате полевых исследований, и оценки селекционной ценности культур по комплексу хозяйственно-важных признаков на основе метода скалярного ранжирования для решения многокритериальных задач принятия решений.
Предмет деятельности селекционеров - сорта, которые характеризуются многими разнородными признаками (как количественными, так и качественными). В процессе селекции исследователь часто сталкивается с проблемой выбора объекта по множеству критериев. Один из подходов к многокритериальным задачам принятия решений - так называемая свёртка по критериям или скалярное ранжирование, когда множество показателей качества (критериев оптимальности) сводятся в один с помощью функции скаляризации - целевой функции задачи принятия решения [4].
В качестве функции скаляризации может выступать аддитивная свертка (взвешенная сумма). Такой способ ранжирования основан на использовании весовых экспертных коэффициентов, отражающих относительную значимость соответствующих критериев.
Ценность образца определяется значением:
1= = 1<М,
где 0 < Yj <1 - нормализованное значение признака; N - количество признаков; q¡ - весовые экспертные коэффициенты, удовлетворяющие условию:
N
у=1
В связи с необходимостью сведения в один показатель ценности разнородных критериев селекционных объектов, предложен способ замены абсолютных исходных значений признаков на относительные балловые. Результирующий
Рис. 1. Схема алгоритма проведения оценки экологической пластичности сортов и линий.
сводный индекс представляет собой интегральную селекционную оценку исследуемого образца и количественно отображает относительную важность объекта в рассматриваемой выборке. Полученные значения ранжируются, располагая тем самым объекты (селекционные образцы) в порядке степени их удовлетворения целям селекции.
Программа обеспечивает выполнение следующих функций: определение набора признаков, входящих в интегральную оценку; формирование алгоритма замены фактических значений признаков на баллы; задание весовых экспертных коэффициентов, определяющих вклад признака в интегральную оценку; расчет селекционной ценности образцов сельскохозяйственных культур.
Тестирование программного комплекса проводили на четырех сортах яровых тритикале, имеющих разное географическое происхождение и различающихся по хозяйственно-ценным признакам:Габо(К-3722), Сокол Киевский (К-3542), Укро (К-3644) и К-3881, а также на экспериментально полученных гибридах от скрещиваний этих сортов по полной диаллельной схеме (4x4). Экологическое испытание родительских форм проводили на трёх агрофонах, различающихся по срокам сева и почвенным условиям
Результаты и обсуждение. С использованием программы «Диаллельный анализ в селекции сельскохозяйственных культур» были определены комбинационные способности сортов по таким показателям, как число зерен главного колоса (рис. 2), натура зерна, масса 1000 зёрен, длина колоса, число колосков в колосе [5-9].
В результате оценки сортов и линий тритикале по степени отзывчивости на благоприятный агрофон программой «Анализ экологической пластичности сельскохозяйственных культур» в группу полуинтенсивных сортов отнесены Габо и Сокол. Сорт Укро оценен как экстенсивный, К-3881 -интенсивный. Все изучаемые сорта были оценены как стабильные. Наибольшие индексы стабильности отмечены у Укро и К-3881, из чего следует, что они лучше приспособлены к местным условиям произрастания [10-11].
— I- И)^
н ГЖ11Л Г кл
'1.1 ■ м 1 НИЛ р. ил
Г1 .1 1 м(
■
Рис. 2. Результаты анализа варианс общей и специфической комбинационной способности четырёхсортов яровой тритикале по признаку «число зёрен главного колоса».
ную селекционную оценку проводили на основании 12 хозяйственно-ценных признаков. Стабильно высокие результаты по среднему индексу ценности (рис. 3) показали гибриды К-3881х Укро - 0,60 и F2 - 0,49), К-3881х Сокол - 0,58 и F2 - 0,49).
выводы. Применение разработанного программного комплекса позволяет оптимизировать селекционный процесс при создании сортов, обладающих требуемым сочетанием хозяйственно важных признаков, путем определения комбинационных способностей родительских форм методами диаллельного анализа,
рис. 3. Значения индексов селекционной ценности для гибридов: а) F1; б) F2. классификации сортов по ре-
Для тестирования программы «Полевые опыты. акции на условия возделывания на основе оценки эколо-
Регистрация и оценка селекционного материала сель- гической пластичности, а также повышения надежности
скохозяйственных культур» [12] были использованы отбора селекционных образцов благодаря интегральной
данные структурного анализа гибридов F1-F2. Интеграль- селекционной оценке по комплексу признаков.
Литература.
1. Цильке Р.А. Методика оценки исходного материала по комбинационной способности в диаллельных скрещиваниях. Новосибирск: Сибирское отделение ВАСХНИЛ, 1979. 29 с.
2. Удачин Р.А. Методика оценки экологической пластичности сортов пшеницы // Селекция и семеноводство. 1990. № 5. С. 2-6.
3. Смиряев А.В., Мартынов С.П., Кильчёвский А.В. Биометрия в генетике и селекции растений. М.: Изд-во МСХА, - 1992. - 269 с.
4. Гараев Я.Г., Киселев В.Г. Многокритериальное ранжирование объектов//Исследование операций (модели, системы, решения). М.: ВЦ РАН, 2000. С. 9-20
5. Гребенникова И.Г., Алейников А.Ф., Стёпочкин П. И. Диаллельный анализ длины колоса у яровой тритикале // Сиб. вестн. с.-х. науки. 2010. №11. С. 103-109.
6. Гребенникова И.Г., Алейников А.Ф., Стёпочкин П.И. Компьютерная программа обеспечения селекционного процесса зерновых культур (на примере тритикале) // Ползуновский вестник. 2011. №.2,2 С. 128-133.
7. Гребенникова И.Г., Алейников А.Ф., Стёпочкин П.И. Информационное обеспечение селекционного процесса тритикале // Вестник НГАУ. 2011. №4 (20). С.10-15.
8. Гоебенникова И.Г., Алейников А.Ф., Стёпочкин П.И. Информационные технологии в исследовании генетической системы контроля признаков тритикале // Сборник научных докладов ВИМ. 2011. Т. 2. С. 290-295.
9. Гребенникова И.Г., Алейников А.Ф., Стёпочкин П.И. Диаллельный анализ числа колосков в колосе яровой тритикале// Сиб. вестн. с.-х. науки. 2011. №7,8. С.77-85.
10. Гребенникова И.Г., Алейников А.Ф., Стёпочкин П.И. Анализ экологической пластичности тритикале//Сиб. вестн. с.-х. науки. 2013. №3. С. 101-106.
11. Компьютерная программа «Анализ экологической пластичности сельскохозяйственных культур» / А.ф. Чешкова, И.Г. Гребенникова, А.ф. Алейников, П.И. Стёпочкин //Достижения науки и техники АПК. 2013. № 8. С. 74-76.
12. Компьютерная программа «Интегральная селекционная оценка сельскохозяйственных культур» // А.ф. Чешкова, А.ф. Алейников, П.И. Стёпочкин, И.Г. Гребенникова //Достижения науки и техники АПК. 2013. № 12. С. 69-71.
software package for analytical support of crop breeding
A.F. Cheshkova1, A.F. Aleynikov1, P.I. Stepochkin2, I.G. Grebennikova1
Siberian Physical-Technical Institute of agrarian problems, Krasnoobsk, Novosibirsk district, Novosibirsk region, 630501, Russia 2Siberian Institute of plant growing and breeding, Krasnoobsk, Novosibirsk district, Novosibirsk region, 630501, Russia Summary. The purpose of the research was to develop the software for optimization of breeding process during development of varieties possessing the required combination of economically important features. We present a computer program package for analytic support at various stages of crop breeding process. The program "Diallel analysis of crops" was designed to evaluate the combining ability of parental forms. It uses Grifing and Hayman methods to determine the ability of breeding material to transfer a transgressive segregation in the offspring of diallel hybrids F1, as well as in breeding for heterosis and at the development of synthetic varieties. The program "Analysis of ecological plasticity of crops" was designed to calculate the parameters of stability of varieties and lines under different environmental conditions. It allows to determine the indicators of intensity and stability of stability index, as well as to classify the studied forms according to responses to growing conditions. The program "Field experiments. Registration and evaluation of breeding material of crops" was designed for data storage of field experiments and to integrate breeding estimation of samples by scalar ranking method. The resulted index of breeding values is calculated as additive convolution of multidimensional information using weight expert coefficients. The integral breeding evaluation coefficient quantitatively reflects the relative importance of the object in the given sampling. The work of the program set was shown on the example of breeding of spring triticale varieties. The use of the software package will make it possible to increase the accuracy of selection of parental pairs, concretize the direction of breeding process, differentiate the studied varieties according to response to growing conditions, and estimate the breeding values coefficient of studied samples on the range of features. Keywords: information technologies, breeding, diallel analysis, ecological plasticity, breeding estimation, computer software. Author Details: A.F. Cheshkova, Cand. Sc. (Phys. & Math.), Head of Laboratory (e-mail: [email protected]), A.F. Aleynikov, Dr. Sc. (Tech.), Senior Researcher; P.I. Stepochkin, Dr. Sc. (Agr.), Head of Laboratory; I.G. Grebennikova, Head of Laboratory. For citation: Cheshkova A. F., Aleynikov A. F., Stepochkin P. I., Grebennikova I.G. Software package for analytical support of crop breeding. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. T.29. №4. pp. 80-82 (In Russ)
