Разработан современный инструмент отслеживания цветков и стручков сои, чтобы выявить генотипы с показателями сохранения цветков выше и ниже среднего в различных условиях окружающей среды. Это даст селекционерам культуры важную информацию для улучшения сортов.
В нормальных условиях соя сбрасывает от 25 до 30% цветков, прежде чем они превратятся в стручки. В условиях стресса, например, засухи или жары, количество цветков может достигать 80%.
«Цветы потребляют больше всего энергии по сравнению с любым другим органом соевого растения. Развитие мужских и женских репродуктивных органов и других структур цветка требует больших затрат энергии и ресурсов», — говорит Кришна Джагадиш , профессор и физиолог сельскохозяйственных культур Техасского технологического университета.
Растения сои пытаются сбалансировать количество цветков, завязывающих стручки, с ресурсами и энергией, доступными для их наполнения. Однако многие сорта сои являются индетерминантными, то есть они продолжают наращивать листья и другие вегетативные структуры во время репродуктивных фаз роста. Это означает, что их способность накапливать энергию в стручках может увеличиваться в течение сезона.
Джагадиш подсчитал, что сокращение опадения цветков всего на 20–30%, или сохранение примерно четверти обычно распускающихся цветков, может повысить урожайность сои на 10–15%. Он считает, что такое увеличение количества завязываемых стручков останется в пределах генетического потенциала урожайности.
Чтобы изучить способы улучшения сохранности соевых цветков и стручков, Джагадиш руководит совместным исследованием, финансируемым за счёт инвестиций от Атлантического совета по сое, Совета по сое Среднего Юга, Северо-Центральной исследовательской программы по сое, Южной исследовательской программы по сое и Объединённого совета по сое. Среди ключевых участников исследования – Уильям Шапо, профессор и селекционер сои в Университете штата Канзас, Генри Нгуен , профессор генетики растений в Университете Миссури, и Ават Шекуфа , доцент и специалист по физиологии растений в Институте сельского хозяйства Университета Теннесси.
«Цветки сои — сложные, и их глубокое изучение не проводилось десятилетиями. Наша команда стремится выявить обширные генетические вариации, влияющие на опадение цветков, чтобы найти способы улучшить сохранение цветков и стручков», — объясняет Джагадиш.
Команда начала с изучения ряда генотипов сои, чтобы охарактеризовать наблюдаемые различия, или фенотипы, цветения и завязывания стручков. Это включало подсчёт цветков, превратившихся в стручки, и опавших цветков.
«Мы обнаружили, что фенотипировать цветки сои очень сложно, — говорит Джагадиш. — Они маленькие и прячутся под листьями».
Команда сосредоточилась на том, как использовать изображения и машинное обучение для точного подсчёта цветков сои, избегая повторного учёта и пропуска цветков, цветущих непрерывно в течение нескольких недель. В ходе серии экспериментов они определили, как использовать камеры GoPro для съёмки видео и обучить модули машинного обучения точному подсчёту. Они также разработали рабочий процесс для проверки достоверности данных. Затем они выяснили, как отслеживать цветение и развитие стручков, а также определять процент опадающих цветков.
«После опадения листьев стручки легче увидеть и посчитать, — отмечает он. — Но они растут пучками и перекрывают друг друга. Нам также пришлось обучить наши машинные алгоритмы правильному подсчёту стручков».
Благодаря интенсивной командной работе университетов, участвующих в проекте, команда разработала инструмент, который любая селекционная группа по выращиванию сои может использовать для отслеживания цветения и развития стручков. Эта информация способствует улучшению культуры, поскольку селекционеры смогут отбирать гибриды и линии для дальнейшего развития.
Инструмент отслеживания цветков и стручков позволил команде выявить генотипы сои с показателями сохранения цветков выше и ниже среднего в различных условиях окружающей среды. Они начали скрещивать эти сорта, чтобы начать процесс сопоставления сохранения цветков с конкретными генами сои.
«Благодаря этой работе мы получили первоначальный список генов-кандидатов, которые мы планируем изучить дополнительно, чтобы улучшить сохранение цветков. Как редактирование генов, так и традиционная селекция позволят нам выявить гены, которые, по нашему мнению, могут повысить урожайность сои, сохраняя больше цветков и стручков на каждом растении», — говорит Джагадиш.
Генетика, проверка генов-кандидатов и разработка устойчивой зародышевой плазмы будут основными направлениями второго этапа этого межрегионального, междисциплинарного исследования.
Джагадиш считает, что сотрудничество между университетами и финансирующими организациями позволило решить эту сложную проблему и добиться реального прогресса. Все университеты тесно сотрудничают, но Техасский технологический институт руководил отслеживанием цветков, а Канзасский государственный университет – отслеживанием стручков. Университет Миссури руководил размножением семян для полевых испытаний, а Университет Теннесси собрал контрастную зародышевую плазму цветков с полей в своей теплице для углубленного изучения физиологии линий.
«Наше тесное сотрудничество включало в себя регулярное общение, обмен идеями по каждой проблеме, поиск решений, которые подошли бы нашей команде, и представление результатов всем участникам группы. Хотя первоначальная работа оказалась гораздо сложнее, чем мы ожидали, теперь мы уверены, что можем внести значительный вклад в повышение урожайности сои, обеспечив фермерам высокую отдачу от инвестиций в это исследование», — заключил Джагадиш.
Источник: SRIN. Автор: Лора Темпл.
На фото вы видите систему, использующую ряд камер и модулей машинного обучения для точного подсчёта и отслеживания развития соевых бобов и стручков. Это позволяет выявить соевые бобы, сохраняющие больше стручков в различных условиях. Фото: Техасский технологический университет и соавторы.