تولیدات گیاهی

تولیدات گیاهی

مقایسه مدل‌های یادگیری ماشین در پیش‌بینی صفات جوانه‌زنی و رشد گیاهچه در ژنوتیپ‌های گندم نان تحت شرایط پیری تسریع‌شده

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 گروه تولید و ژنتیک گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه. ارومیه، ایران
2 گروه تولید و ژنتیک گیاهی ، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
10.22055/ppd.2026.51879.2331
چکیده
گندم نان (Triticum aestivum L.) از محصولات استراتژیک برای تأمین امنیت غذایی جهان و ایران است. کیفیت بذر، به‌عنوان یکی از عوامل کلیدی در استقرار موفق گیاه و دستیابی به عملکرد مطلوب، اهمیت زیادی دارد. با این حال، پیری بذر در طی دوره انبارداری از چالش‌های مهم این حوزه محسوب می‌شود، زیرا موجب کاهش بنیه و توان زیستی بذر می‌گردد. در این پژوهش، به‌منظور ارزیابی دقت مدل‌های یادگیری ماشین در پیش‌بینی صفات مرتبط با جوانه‌زنی و رشد گیاهچه گندم نان تحت شرایط پیری تسریع‌شده، تعداد ۲۲۸ ژنوتیپ گندم در سال ۱۴۰۱–۱۴۰۲ مورد بررسی قرار گرفتند. آزمایش به صورت فاکتوریل و در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در آزمایشگاه بذر دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه اجرا شد. تیمارها شامل چهار سطح پیری (۰، ۴۸، ۷۲ و ۹۶ ساعت) بودند که در دمای ۴۵ درجه سلسیوس و رطوبت نسبی نزدیک به ۱۰۰ درصد اعمال گردیدند. آزمون جوانه‌زنی بر اساس استانداردهای انجمن بین‌المللی آزمون بذر (ISTA) و در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی اجرا شد. در مجموع، ۱۴ شاخص مرتبط با جوانه‌زنی و رشد گیاهچه شامل درصد جوانه‌زنی (GP)، شاخص جوانه‌زنی (GI)، شاخص حیات (VI)، شاخص حیات ساده‌شده (SVI)، متوسط زمان جوانه‌زنی (MGT)، متوسط جوانه‌زنی روزانه (MDG)، طول گیاهچه (SL)، طول ساقه‌چه (SHL)، طول ریشه‌چه (RL)، وزن تر ساقه‌چه (SHWW)، وزن خشک ساقه‌چه (SHDW)، وزن تر ریشه‌چه (RWW)، وزن خشک ریشه‌چه (RDW) و ضریب آلومتریک (AL) اندازه‌گیری شدند. برای پیش‌بینی این صفات، شش مدل یادگیری ماشین شامل رگرسیون خطی، XGBoost، ماشین بردار پشتیبان (SVR)، فرآیند گاوسی (Gussian Process; GP)، لاسو (Lasso) و ریج (Ridge) مورد استفاده قرار گرفتند پیاده‌سازی کلیه مدل‌ها در محیطPython 3.9 و با بهره‌گیری از کتابخانه‌های scikit-learn، xgboost و numpy در پلتفرمKaggle Notebook صورت گرفت. همچنین به‌منظور بررسی الگوهای همبستگی بین صفات، از نقشه حرارتی استفاده شد. نتایج نشان داد، با افزایش مدت زمان تیمار پیری، یک روند کاهشی معنی‌دار (P<0.05) در اکثر صفات مورد مطالعه مشاهده شد، به‌طوری‌که صفت درصد جوانه‌زنی (GP) از متوسط 96/91 درصد در شرایط نرمال به 11/6 درصد در تیمار ۹۶ ساعت پیری کاهش یافت. علاوه‌براین، تجزیه خوشه‌ای، ژنوتیپ‌های کوهدشت، فونگ، الوند، ۶۲۷۸۴۹، ۶۲۶۹۷۸، ۶۲۷۷۸۷، ۶۲۴۸۶۴، ۶۲۷۴۱۴، ۶۲۶۲۱۵ و ۶۲۷۴۱۰ را که دارای بالاترین عملکرد بذری در شرایط پیری بودند، به‌عنوان ژنوتیپ‌های متحمل شناسایی کرد. نتایج ارزیابی مدل‌ها بر اساس شاخص‌های میانگین قدر مطلق خطا (MAE) و ضریب تبیین (R²) نشان داد که مدل فرآیند گاوسی (GP) برای صفات کلیدی از جمله درصد جوانه‌زنی، شاخص جوانه‌زنی، شاخص حیات، شاخص حیات ساده‌شده و متوسط جوانه‌زنی روزانه، عملکرد برتری داشته و مقادیر R2 بالاتری (در محدوده ۹۰/0 تا ۹۴/0) و کمترین میزان MAE را نسبت به سایر مدل‌ها ارائه داد. از سوی دیگر، در مورد صفات گیاهچه مانند طول گیاهچه، طول ساقه‌چه، طول ریشه‌چه، وزن تر و خشک ساقه‌چه و وزن تر و خشک ریشه‌چه، مدلXGBoost برتری در قدرت تبیین (80/0 تا 61/0 =R2) و کاهش خطای پیش‌بینی (12/3 تا 0011/0 =MAE)، به‌عنوان الگوریتم بهینه شناسایی شد. یافته‌های این پژوهش، با شناسایی ژنوتیپ‌های متحمل و ارائه چارچوبی هوشمند جهت پیش‌بینی صفات، تلفیقی کارآمد از روش‌های آماری و یادگیری ماشین را برای تسریع برنامه‌های به-نژادی و مدیریت دقیق کیفیت بذر فراهم می‌آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comparison of machine learning models in predicting germination and seedling growth traits in bread wheat genotypes under accelerated aging conditions

نویسندگان English

Sima Fatanatvash 1
Hadi Alipour 2
Reza Darviszadeh 1
Mahdi Ghiyasi 1
1 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran
2 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده English

Introduction

Bread wheat (Triticum aestivum L.) is a strategic crop for ensuring global and national food security. Seed quality is a critical factor for successful seedling establishment and achieving optimal yield. However, seed ageing during storage remains a major challenge in this field, as it significantly reduces seed vigor and viability. To assess seed quality accurately and quickly, traditional methods are time-consuming and have limitations due to their high demand for time and resources; therefore, machine learning (ML) offers faster alternatives for predicting germination and seedling growth traits. This study evaluates six ML models, including Linear Regression, XGBoost, Support Vector Regression (SVR), Gaussian Process, Lasso, and Ridge, for predicting 14 germination and seedling growth traits under accelerated ageing.

Materials and Methods

A total of 228 bread wheat genotypes were tested during the 2022–2023 season. The experiment was conducted as a factorial trial in a completely randomized design with three replications at the Seed Laboratory, Faculty of Agriculture, Urmia University. Accelerated aging treatments (0, 48, 72, and 96 hours) were applied at 45°C and near-saturated relative humidity, following ISTA standards. Germination tests followed ISTA standards under controlled laboratory conditions. Traits measured included germination percentage (GP), germination index (GI), vitality index (VI), simplified vitality index (SVI), mean germination time (MGT), mean daily germination (MDG), seedling length (SL), shoot length (SHL), root length (RL), shoot wet weight (SHWW), shoot dry weight (SHDW), root wet weight (RWW), root dry weight (RDW), and allometric coefficient (AL). Machine learning models were implemented in Python 3.9 using the StandardScaler from the scikit-learn library, along with XGBoost and NumPy packages. Data were randomly split into training (80%) and testing (20%) subsets, with fixed random seed for reproducibility. Continuous variables were normalized, and model performance was evaluated using R² and MAE. Trait correlations were visualized via heatmap.

Results and Discussion

The results revealed strong positive correlations among most germination and seedling growth indices. In addition, a significant declining trend (P<0.05) was observed in most traits with increasing aging duration. For instance, germination percentage (GP) decreased from an average of 91.96% under control conditions to 11.61% at 96 h of aging. Furthermore, cluster analysis identified KOOHDASHT, FONG, ALVAND, 627849, 626978, 627787, 624864, 627414, 626215, and 627410 as tolerant genotypes, exhibiting the highest seed performance under aging conditions. Evaluation of the models based on MAE and R2 metrics demonstrated that the Gaussian Process (GP) model outperformed other algorithms for key traits including germination percentage, germination index, vitality index, simplified vitality index, and mean daily germination achieving higher R2 values (ranging from 0.90 to 0.94) and the lowest MAE. Conversely, for seedling traits such as seedling length, shoot length, root length, and shoot/root fresh and dry weights, the XGBoost model was identified as the optimal algorithm, exhibiting superior predictive power (R2: 0.61–0.80) and reduced prediction error (MAE: 0.0011–3.12).

Conclusion

ML models, especially XGBoost and Gaussian Process, can effectively predict germination and seedling growth traits in bread wheat under accelerated ageing. By identifying tolerant genotypes and providing an intelligent framework for trait prediction, the findings of this study offer an efficient integration of statistical methods and machine learning to accelerate breeding programs and facilitate precise seed quality management.

کلیدواژه‌ها English

Artificial ageing
Artificial intelligence
Bread wheat
Genetic variation
Plant breeding
Seed vigor

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 24 خرداد 1405