Автоматическое фенотипирование морфологии колоса тетра- и гексаплоидных видов пшеницы методами компьютерного зрения

Внутривидовая классификация культурных растений необходима для эффективного сохранения биологического разнообразия видов, изучения их происхождения, определения филогении и проведения межвидовой гибридизации при селекции. Современные возделываемые виды пшениц произошли от трех диких диплоидных предков в результате гибридизации и нескольких раундов удвоения геномов и представлены ди-, тетра- и гексаплоидными видами. Поэтому идентификация плоидности пшениц и определение их геномного состава являются одними из основных этапов их классификации на основе визуального анализа фенотипических признаков колоса. Цель работы – исследование морфологических характеристик колосьев полиплоидных видов пшеницы методами высокопроизводительного фенотипирования. Выполнено фенотипирование количественных характеристик колоса 17 видов пшеницы (595 растений, 3348 изображений), включая восемь тетраплоидных: Triticum aethiopicum, T. dicoccoides, T. dicoccum, T. durum, T. militinae, T. polonicum, T. timopheevii, T. turgidum и девять гексаплоидных: T. compactum, T. aestivum (в том числе изогенная линия сорта Новосибирская 67 АНК-23), T. antiquorum, T. spelta (включая стародавний сорт T. spelta Rother Sommer Kolben), T. petropavlovskyi, T. yunnanense, T. macha, T. sphaerococcum, T. vavilovii. Морфология колоса описана на основе девяти количественных признаков, включающих форму, размер и остистость. Признаки были получены в результате анализа цифровых изображений с помощью программы WERecognizer. Кластерный анализ растений по характеристикам формы колоса и сравнение их распределений у тетра- и гексаплоидных видов показали более высокую вариабельность признаков у гексаплоидных видов по сравнению с тетраплоидными. При этом сами виды в пространстве характеристик колоса формируют два кластера. К первому относятся преимущественно гексаплоидные виды, за исключением одного тетраплоидного, дикорастущего T. dicoccoides, ко второму – тетраплоидные, за исключением трех гексаплоидных, T. compactum, T. antiquorum, T. sphaerococcum, и i:АНК-23. Показано, что морфологические характеристики колосьев для гекса- и тетраплоидных видов, полученные на основе компьютерного анализа изображений, демонстрируют различия, которые в дальнейшем могут быть использованы для разработки методики эффективной классификации растений по плоидности и их видовой принадлежности в автоматическом режиме.

пшеница, морфология колоса, феномика, обработка изображений, компьютерное зрение, машинное обучение, биотехнологии

1. Afonnikov D.A., Genaev M.A., Doroshkov A.V., Komyshev E.G., Pshenichnikova T.A. Methods of high-throughput plant phenotyping for large-scale breeding and genetic experiments. Russ. J. Genet. 2016;52(7):688-701. https://doi.org/10.1134/S1022795416070024.

2. Boguslavsky R.L. A new botanical form of hexaploid wheat. NauchnoTekhnicheskiy Byulleten VIR = Scientific and Technological Bulletin of the Vavilov Institute of Plant Industry. 1982;119:73-74. (in Russian)

3. Chen Z.J. Genetic and epigenetic mechanisms for gene expression and phenotypic variation in plant polyploids. Annu. Rev. Plant Biol. 2007;58:377-406. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.58.032806.103835.

4. Comai L. The advantages and disadvantages of being polyploid. Nat. Rev. Genet. 2005;6(11):836-846. https://doi.org/10.1038/nrg1711.

5. Demidchik V.V., Shashko A.Y., Bandarenka V.Y., Smolikova G.N., Przhevalskaya D.A., Charnysh M.A., Pozhvanov G.A., Barkovskyi A.V., Smolich I.I., Sokolik A.I., Yu M., Medvedev S.S., Plant phenomics: fundamental bases, software and hardware platforms, and machine learning. Russ. J. Plant Physiol. 2020;67:397-412. https://doi.org/10.1134/S1021443720030061.

6. Dorofeev V.F. Intraspecific taxonomy of wheat. Doklady VASKhNIL = Reports of the Academy of Agricultural Sciences. 1985;9:1-4. (in Russian)

7. Dorofeev V.F., Filatenko A.A., Migushova E.F., Udachin R.A., Yakubtsiner M.M. Flora of Cultivated Plants of USSR. Vol. 1. Wheat. Leningrad: Kolos Publ., 1979. (in Russian)

8. Dorofeev V.F., Rudenko M.I., Filatenko A.A., Baras J., Segnalova J., Lemann H. (Compilators). Тhе Intеrnаtiоnаl Соmесоn List оf Dеsсriрtоrs for the Gеnus Тritiсum L. Leningrad: VIR Publ., 1984. (in Russian)

9. Finigan P., Tanurdzic M., Martienssen R.A. Origins of novel phenotypic variation in polyploids. In: Polyploidy and Genome Evolution. Berlin; Heidelberg: Springer Press, 2012;57-76. https://doi.org/10.1007/978-3-642-31442-1_4.

10. Genaev M.A., Komyshev E.G., Fu Hao, Koval V.S., Goncharov N.P., Afonnikov D.A. SpikeDroidDB: an information system for annotation of morphometric characteristics of wheat spike. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(1):132-140. https://doi.org/10.18699/VJ18.340. (in Russian)

11. Genaev M.A., Komyshev E.G., Smirnov N.V., Kruchinina Y.V., Goncharov N.P., Afonnikov D.A. Morphometry of the wheat spike by analyzing 2D images. Agronomy. 2019;9(7):390. https://doi.org/10.3390/agronomy9070390.

12. Golovnina K.A., Kondratenko E.Ya., Blinov A.G., Goncharov N.P. Phylogeny of the A genome of wild and cultivated wheat species. Russ. J. Genet. 2009;45(11):1360-1367. https://doi.org/10.1134/S1022795409110106.

13. Goncharov N.P. Comparative-genetic analysis - a base for wheat taxonomy revision. Czech J. Genet. Plant Breed. 2005;41:52-55.

14. Goncharov N.P. Manual Book of Common and Hard Wheat Varieties. Novosibirsk: SO RAN Publ., 2009. (in Russian)

15. Goncharov N.P. Genus Triticum L. taxonomy: the present and the future. Plant Syst. Evol. 2011;295(1-4):1-11. https://doi.org/10.1007/s00606-011-0480-9.

16. Goncharov N.P., Kondratenko E.Ya. Wheat origin, domestication and evolution. Informatsionnyy Vestnik VOGiS = The Herald of Vavilov Society for Geneticists and Breeders. 2008;12(1/2):159-179. (in Russian)

17. Goncharov N.P., Shumny V.K. From preservation of genetic collections to organization of National project of plant gene pools conservation in permafrost. Informatsionnyy Vestnik VOGiS = The Herald of Vavilov Society for Geneticists and Breeders. 2008;12(4):509-523. (in Russian)

18. Hammer K., Filatenko A.A., Pistrick K. Taxonomic remarks on Triticum L. and ×Triticosecale Wittm. Genet. Resour. Crop Evol. 2011; 58(1):3-10. https://doi.org/10.1007/s10722-010-9590-4.

19. Johnson S.C. Hierarchical clustering schemes. Psychometrika. 1967; 32(3):241-254.

20. Koval S.F. The catalog of near-isogenic lines of Novosibirskaya-67 common wheat and principles of their use in experiments. Russ. J. Genet. 1997;33(8):995-1000.

21. Liu W., Zheng Y., Song S., Huo B., Li D., Wang J. In vitro induction of allohexaploid and resulting phenotypic variation in Populus. Plant Cell Tiss. Organ Cult. 2018;134(2):183-192. https://doi.org/10.1007/s11240018-1411-z.

22. Müllner D. Modern hierarchical, agglomerative clustering algorithms. arXiv. 2011;1109.2378.

23. Palmova E.F. Introduction to Wheat Ecology. Moscow; Leningrad: Selkhozgiz Publ., 1935. (in Russian)

24. Pedregosa F., Varoquaux G., Gramfort A., Michel V., Thirion B., Grisel O., Blondel M., Müller A., Nothman J., Louppe G., Prettenhofer P., Weiss R., Dubourg V., Vanderplas J., Passos A., Cournapeau D., Brucher M., Perrot M., Duchesnay E. Scikit-learn: Machine learning in Python. J. Mach. Learn. Res. 2011;12:2825-2830.

25. Robinson D.O., Coate J.E., Singh A., Hong L., Bush M., Doyle J.J., Roeder A.H. Ploidy and size at multiple scales in the Arabidopsis sepal. Plant Cell. 2018;30(10):2308-2329. https://doi.org/10.1105/tpc.18.00344.

26. Rodionov A.V., Amosova A.V., Belyakov E.A., Zhurbenko P.M., Mikhailova Y.V., Punina E.O., Shneyer V.S., Loskutov I.G., Muravenko O.V. Genetic consequences of interspecific hybridization, its role in speciation and phenotypic diversity of plants. Russ. J. Genet. 2019;55(3):278-294. https://doi.org/10.1134/S1022795419030141.

27. Rodionov A.V., Shneyer V.S., Gnutikov A.A., Nosov N.N., Punina E.O., Zhurbenko P.M., Loskutov I.G., Muravenko O.V. Species dialectics: from initial uniformity, through the greatest possible diversity to ultimate uniformity. Botanicheskiy Zhurnal = Botanical Journal. 2020; 105(9):835-853. https://doi.org/10.31857/S0006813620070091. (in Russian)

28. Romanov B.V., Pimonov K.I. Phenomogenomics of Production Traits of Wheat Species. Persianovsky: Donskoy GAU Publ., 2018. (in Russian)

29. Sinskaya E.N. Historical Geography of Cultural Flora (At the Dawn of Agriculture). Leningrad: Kolos Publ., 1969. (in Russian)

30. Snedecor G.W., Cochran W.G. Statistical Methods. Ames, Iowa: Iowa State University Press, 1989.

31. Tan F., Tu H., Liang W., Long J.M., Wu X.M., Zhang H.Y., Guo W.W. Comparative metabolic and transcriptional analysis of a doubled diploid and its diploid citrus rootstock (C. junos cv. Ziyang xiangcheng) suggests its potential value for stress resistance improvement. BMC Plant Biol. 2015;15:89. https://doi.org/10.1186/s12870-015-0450-4.

32. Udachin R.A., Migushova E.F. New in the knowledge of the genus Triticum. Vestnik Selskokhozyaystvennoy Nauki = Herald of Agricultural Sciences. 1970;9:20-24. (in Russian)

33. van der Maaten L., Hinton G. Visualizing data using t-SNE. J. Mach. Learn. Res. 2008;9:2579-2605.

34. van Slageren M., Payne T. Concepts and nomenclature of the Farro wheats, with special reference to Emmer, Triticum turgidum subsp. dicoccum (Poaceae). Kew Bull. 2013;68:477-494. https://doi.org/10.1007/S12225-013-9459-8.

35. Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E., Haberland M., Reddy T., Cournapeau D., Burovski E., Peterson P., Weckesser W., Bright J., van der Walt S.J., Brett M., Jones E., Kern R., Larson E., Carey C.J., Polat I., Feng Yu, Moore E.W., VanderPlas J., Laxalde D., Perktold J., Cimrman R., Henriksen I., Quintero E.A., Harris C.R., Archibald A.M., Riberio A.H., Pedregosa F., van Mulbregt P. SciPy 1.0 Contributors. SciPy 1.0 - fundamental algorithms for scientific computing in Python. Nat. Meth. 2020;17(3):261-272. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0686-2.

36. Watanabe N., Bannikova S.V., Goncharov N.P. Inheritance and chromosomal location of the genes for long glume phenotype found in Portuguese landraces of hexaploid wheat, ‘Arrancada’. J. Genet. Breed. 2004;58:273-278.

37. Williams J.H., Oliveira P.E. For things to stay the same, things must change: polyploidy and pollen tube growth rates. Ann. Bot. 2020; 125(6):925-935. https://doi.org/10.1093/aob/mcaa007.

38. Yakubtsiner M.M. More on Chinese wheats. Botanicheskiy Zhurnal = Botanical Journal. 1959;44(10):1425-1436. (in Russian)

39. Yang W., Feng H., Zhang X., Zhang J., Doonan J.H., Batchelor W.D., Xiong L., Yan J. Crop phenomics and high-throughput phenotyping: past decades, current challenges, and future perspectives. Mol. Plant. 2020;13(2):187-214. https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.01.008.

40. Zatybekov A., Anuarbek S., Abugalieva S., Turuspekov Y. Phenotypic and genetic variability of a tetraploid wheat collection grown in Kazakhstan. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2020;24(6):605-612. https://doi.org/10.18699/VJ20.654.

41. Zhang Y., Zhao C., Du J., Guo X., Wen W., Gu S., Wang J., Fan J. Crop phenomics: current status and perspectives. Front. Plant Sci. 2019; 10:714. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00714.

42. Zuev E.V., Amri A., Brykova A.N., Pyukkenen V.P., Mitrofanova O.P. Atlas of the Diversity of Soft Wheat (Triticum aestivum L.) by Ear and Grain Characteristics. St. Petersburg: Kopi-R Publ., 2019. (in Russian)