توصيفگر ها :
ژنوتيپ , دوروم , هگزاپلوئيد , مدلسازي نرم و مستقل شباهتهاي بين كلاسي , شبكههاي عصبي مصنوعي
چكيده فارسي :
درصد بالاي تنوع ژنتيكي موجود در محصولات كشاورزي بهخصوص در مورد غلات باعث شده است تشخيص هويت پايههاي ژني در گياهان، بويژه در مراحل مختلف رشد به آساني ميسر نباشد. از اين رو، جمعآوري اطلاعات جامع از ژنوتيپهاي مختلف گياهان، از جمله غلات، در دورههاي مختلف رشد و نمو امري مهم به شمار ميآيد. طي سالهاي اخير، استفاده از روشي كه بدون تخريب محصولات كشاورزي بتواند بهطور سريع و آسان ژنوتيپ آنها را تشخيص دهد، بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين پاياننامه، توانايي فناوري طيفسنجي مرئي- فروسرخ نزديك (Vis/NIR) در تشخيص ژنوتيپهاي مختلف گندم مورد ارزيابي قرار گرفت. 5 ژنوتيپ مختلف گندم شامل دو ژنوتيپ گندم هگزاپلوئيد نان T. aestivum شامل گندم معمولي نان (روشن) و گندم ساختگي نان (شماره 159 از يك ژرم پلاسم ساختگي)، يك ژنوتيپ گندم دوروم T. durum و دو ژنوتيپ اجداد گندم شامل ديپلوئيد از گونه T. monococcum و تتراپلوئيد از گونه T. turanicum مواد ژنتيكي را تشكيل دادند. از يك طيفسنج PDA مجهز به آشكارساز CCD با قدرت تفكيك 2 نانومتر در محدودهي 1100-400 نانومتر براي ثبت طيفهاي برگ ژنوتيپهاي مختلف گندم استفاده شد. طيفسنج مذكور مجهز به فيبر نوري دو شاخه، يك نگهدارنده نمونه و يك منبع نور هالوژني بود. از ژنوتيپهاي كشت شده در سه مرحله اصلي رشد گياه گندم شامل مراحل باز شدن برگ (تقريباً 7 برگ باز شده) (مرحله اول)، پنجه زني (مرحله دوم) و گلدهي (مرحله سوم)، عمليات طيفگيري صورت گرفت. براي هر ژنوتيپ گندم در هر مرحله رشد، بهطور تصادفي50 بوته انتخاب شد. از هر بوته يك برگ انتخاب و از برگ انتخابي تعداد سه طيف تقابلي گرفته شد. سپس از سه طيف هر برگ، ميانگين گرفته شد و 50 طيف مستقل براي هر ژنوتيپ در هر مرحله رشد بدست آمد. به منظور تحليل طيفهاي بدست آمده، ابتدا و انتهاي طيفها بهدليل نويز، حذف و سپس پيشپردازشهاي مختلف بر روي طيفها اعمال شد. براي تشخيص ژنوتيپهاي مختلف از روشهاي طبقهبندي مدلسازي نرم و مستقل شباهتهاي بين كلاسي (SIMCA) و شبكههاي عصبي مصنوعي (ANN) استفاده شد. در هر يك از اين دو روش، تفكيك ژنوتيپهاي مختلف گندم، ابتدا بدون در نظر گرفتن مراحل رشد انجام شد. سپس توانايي هر روش در تشخيص مراحل رشد و سپس تفكيك ژنوتيپها در هر مرحله رشد مورد ارزيابي قرار گرفت. براي تفكيك ژنوتيپهاي مختلف گندم بدون در نظر گرفتن مراحل رشد، بهترين قدرت تفكيك در روش SIMCA با پيشپردازش مشتق اول بدست آمد كه منجر به دقت كل 45/89 درصد شد. اين در حالي بود كه بهترين مدل ANN توانست ژنوتيپهاي مختلف گندم را بدون در نظر گرفتن مراحل رشد با دقت كل 49/98 درصد تفكيك كند. در تفكيك مراحل مختلف رشد نيز بهترين مدلهاي SIMCA و ANN منجر به دقتهاي كل به ترتيب 48/95 درصد و 100 درصد شدند. در اين حالت، روش SIMCA توانست با دقتهاي كل 88/93، 98 و 06/94 درصد ژنوتيپهاي مختلف گندم را در مراحل به ترتيب اول، دوم و سوم رشد از يكديگر جدا كند. روش ANN نيز توانست با دقت كل 100 درصد، ژنوتيپهاي مختلف گندم را در هر سه مرحله رشد جداسازي كند. بهطور كلي، نتايج اين پاياننامه نشان داد تكنيك طيفسنجي Vis/NIR به كمك روش مدلسازي غيرخطي ANN روشي توانمند در تشخيص ژنوتيپهاي مختلف گندم در طول رشد، تشخيص مراحل مختلف رشد و همچنين تفكيك ژنوتيپهاي گندم در هر مرحله رشد است.
چكيده انگليسي :
Due to the genetic diversity in agricultural products, especially in the case of cereals, it is difficult to identify the plantʹs genetic basis. Also, collecting comprehensive information from different genotypes of plants during their growth and development is of great interest to the experts in the field of plant genetics. Therefore, the development of a non-destructive method that can quickly and easily identify the plant genotype has received much attention. In this research, the ability of visible and infrared spectroscopy (Vis/NIR) technology to detect different wheat genotypes was evaluated. Five different wheat genotypes including two bread wheat genotypes, one durum wheat genotype (T. durum), and two wheat ancestors were selected for experiments. Bread wheat genotypes included common wheat (Roshan) and Synthetic sample 159 from the hexaploid species (T. aestivum), and ancestors wheat genotypes included diploids (T. monococcum) and tetraploids (T. turanicum). A PDA spectrometer equipped with a CCD detector with a resolution of 2 nm in the range of 400-1100 nm was used to acquire the leaf spectra of wheat samples. The spectrometer was equipped with bifurcated fiber optics, a sample holder, and a halogen light source. The wheat genotypes were cultivated in three main stages of wheat plant growth including leaf opening (approximately 7 open leaves) (first stage), tillering (second stage), and flowering (third stage). For each wheat genotype at each growth stage, 50 plants were randomly selected. One leaf was chosen from each plant and three interactance spectra were taken from the selected leaf. Then, the average spectrum was calculated and used as the spectrum of that genotype in the next steps. Thus, for each wheat genotype at each growing stage, 50 average and independent spectra were obtained. To analyze the obtained spectra, the beginning and end of the spectra were removed due to noise. Different pretreatment methods were then applied to the spectra. Soft and independent modeling of class analogy (SIMCA) and artificial neural networks (ANN) were used to identify different genotypes. In each of these two methods, in the first step, different wheat genotypes were discriminated without considering the growth stages. Then, the ability of each method to detect growth stages and discrimination of genotypes at each growth stage was evaluated. For discrimination of different wheat genotypes without considering the growth stage, the best performance of SIMCA method was obtained by first derivative pre-processing, which resulted in a total accuracy of 89.45%. While the best ANN model was able to classify different wheat genotypes without considering the growth stages with a total accuracy of 98.49%. In different growth stages, the best SIMCA and ANN models resulted in total accuracy of 95.48% and 100%, respectively. In this case, SIMCA method was able to distinguish different wheat genotypes in the first, second, and third stages of growth with total accuracy of 93.88, 98, and 94.06%, respectively. The ANN method was also able to classify different wheat genotypes at all three stages of growth with 100% accuracy. In general, the results of this study revealed that Vis/NIR spectroscopy technique combined with the nonlinear ANN method is a powerful technique in detecting different wheat genotypes during growth, detecting different growth stages, and also discriminating wheat genotypes at each growth stage.