Научная работа
Научная деятельность компании направлена на создание и совершенствование технических и технологических подходов к разработке системы сбора, хранения и анализа данных полевых исследований.
В отличии от специализированных приложений транснациональных компаний, BreedEx является универсальной платформой хранения и обработки данных для разных организаций. Для этого необходимо было сделать систему достаточно гибкой для адаптации под все представленные в мире методы селекции, при этом не перегружая пользователя настройками и ненужным ему функционалом.
Одна из наиболее сложных задач, формализация и алгоритмизация селекционного процесса различных культур, потребовала сведения различных подходов к селекционному процессу к единым параметрам.
Основополагающим различием селекции растений является деление их на аллогамные и аутогамные, проще говоря, на перекрестноопылители и самоопылители.
Первым расхождением в подходах к селекции является процесс гибридизации. Гибридизация, или скрещивание, является основным традиционным источником рекомбинантных генов, позволяющих раскрыть потенциал геномов вида, но он по-разному применяется у аллогамных и аутогамных видов. Так, в селекции аллогамных видов скрещивания являются также основой селекции на гетерозис, когда скрещивание является необходимым шагом проверки качества конечного материала и производства товарных партий семян для использования в производственном сельском хозяйстве.
Данное расхождение ведет к довольно большим различиям в селекционном процессе каждого типа культур:
Для аутогамных:
- скрещивания проводятся в начале селекционного цикла. Редко повторные скрещивания проводятся на поздних этапах в поколениях F6-F7 в методе педигри с повторным скрещиванием;
- необходимо отслеживать поколение каждой линии, гетерозиготность локусов и отдаленность родителей для определения расчетного количества гомозиготных форм на каждом этапе селекции;
- семена после каждого этапа инбридинга становятся посевным материалом для следующих питомников и должны быть отдельно обработаны и сохранены;
- преимущественное применение индивидуального отбора по сравнению с массовым;
- наличие больших и сложноорганизованных (с точки зрения программного интерфейса) гибридных питомников с разнорядными делянками, размеры которых зависят от имеющихся на складе семян каждого генотипа.
Для аллогамных:
- скрещивания применяются как для рекомбинации необходимых признаков, так и для проявления гетерозисного эффекта. При этом, в случае гетерозисной селекции, первый год сортоиспытания служит лишь для получения достаточного количества семян F1;
- важно отслеживать комбинационную способность каждого потенциального родителя;
- семена после сортоиспытания не имеют посевной ценности и направляются в фураж, это ведет к тому, что необходимо параллельно вести размножение семян интересующих линий;
- сложность отображения генеалогического дерева и наследственных связей ввиду большого количества возвратных (насыщающих) скрещиваний
- преимущественное применение массового или семейно-группового отборов, так как они предотвращают проявление инцухт-депрессии у аллогамных видов при маленьком размере популяции.
Таким образом, способ опыления существенно влияет на схему селекционного процесса, и, как следствие, на подход к унифицированному хранению и обработке данных таких опытов.
Другими влияющими на формализацию селекционного процесса различиями являются возможность вегетативного размножения, коэффициент размножения, способ посева, возможность механизации или автоматизации различных операций.
Для учета всех проводимых операций во всех типах питомников и на сортоиспытательных участках необходимо выделить единичную неделимую сущность, на базе которой будет строиться основа работы системы. Она должна отвечать принципам отличимости, уникальности и физической воплотимости.
В качестве такой сущности выбран генотип, как совокупность генетических последовательностей. При этом делается допущение (которое отличает понятие генотипа в селекции от такового в терминах системы), что группа близких генетических последовательностей, таких как популяция или сорт, также называются генотипом.
В рамках переложения на физические воплощения генотипа в реальном мире выбраны делянка и единица хранения. Делянка это участок поля, состоящий из одного или нескольких рядов с засеянным на них одним генотипом. Единица хранения – физическое воплощение генотипа в виде гермплазмы (семян, вегетативных побегов, клубней, тканей), манипуляции с которым приводят к появлению новых сортов и гибридов для хозяйственного применения. На первый взгляд кажется, что делянка, состоя из рядов противоречит установленному нами принципу неделимости, но это только на первый взгляд. В большинстве случаев ряд, являясь составной частью делянки, не выполняет самостоятельную функцию, а является лишь геометрическим воплощением габаритов делянки на селекционном поле.
Остается часть случаев, когда рядок должен выступать самостоятельной единицей. Так, при разном количестве рядов в делянке рядок выступает в роли условной координатной сетки на поле для заполнения его делянками. Т.е. рядок соотносит себя с делянкой для корректного отображения разнорядковых делянок на поле. В других случаях выделять рядки необходимо при частичном посеве или уборке делянок, когда ширина захвата сеялки или комбайна недостаточна для одномоментного выполнения операции над всей делянкой целиком и ее делают в несколько этапов. К этим же случаям относят и необходимость формирования единиц хранения на посев и уборку по высеваемым/убираемым рядкам, т.к. возможность продолжить высев из открытого пакета или продолжение затаривания мешка на обратном ходу сложнореализуемо на текущем уровне автоматизации.
Обобщая все вышесказанное, рядок является самостоятельной сущностью и находится на уровень ниже делянки. Но, в то же время, он не выполняет самостоятельных функций и призван лишь обозначить делянку в рамках селекционного поля.
Первой серьезной задачей для формализации стала унификация посевного процесса для всех возможных схем селекции. Необходимо было учесть все возможные геометрические параметры делянок на поле, их взаиморасположение, а также другие особенности. Необходимо было учесть не только опыты с одинаковым и разным количеством рядков в делянке, но и различные статусы делянок, которые соответствуют повторностям, стандартам, разным родительским формам и др. На первый взгляд внедрить эти параметры не составляет труда, но за каждым из этих статусов лежит большой пласт функционала под ним. Например, на стадии анализа данные по повторностям используются для дисперсного анализа, а делянки стандартов используются для расчета приведенной урожайности соседних делянок.
Также, статусы делянок влияют на взаиморасположение делянок на поле. Стандарты располагаются систематически, так, чтобы расстояние до ближайшего стандарта не сильно варьировалось от делянки к делянке. Повторения располагаются максимально удаленно в случайном или систематическом порядке, в соответствии с принципами научного подхода к проведению опыта.
В рамках научных исследований компания также занимается перспективными разработками по автоматизированному фенотипированию, навигации при полевом сборе данных на селекционных полях, алгоритмизацией второстепенных процессов.
В рамках направления полевого сбора данных в селекции оценивалась возможность навигации на делянках с помощью носимых пользовательских устройств. НИОКР включали в себя сбор GNSS данных в условиях приближенных к реальным (более 300 000 единичных записей) с последующим анализом и сравнением полученных данных с эталонным калиброванным устройством.
Автоматизированное фенотипирование – перспективное направление развития автоматизации в селекции. При уменьшении трудозатрат увеличивается количество получаемых данных о каждом генотипе для отбора наиболее ценных экземпляров. Это, в среднесрочной перспективе, в сочетании с геномной селекцией, позволит сделать качественный скачок в продуктивности и устойчивости современных сортов и гибридов. Для работ в данном направлении мы работаем с партнерами над возможностью по интеграции их сервисов в систему, что позволит селекционеру использовать сторонний функционал без дополнительных усилий.
Примером сторонней разработки по автоматизированному фенотипированию служит проект по определению площади листа растения с помощью смартфона с камерой и ToF сенсором. Полученные данные пропускаются через свёрточную нейронную сеть, которая также может обнаружить ранние признаки заболевания растения. Данная технология позволяет провести очень быструю оценку листовой поверхности растения, что ранее было сделать крайне трудозатратно.
Примером сторонней разработки по автоматизированному фенотипированию служит проект по определению площади листа растения с помощью смартфона с камерой и ToF сенсором. Полученные данные пропускаются через свёрточную нейронную сеть, которая также может обнаружить ранние признаки заболевания растения. Данная технология позволяет провести очень быструю оценку листовой поверхности растения, что ранее было сделать крайне трудозатратно.
В процессе разработки системы возникает множество второстепенных задач, требующих нахождения оптимального по затрату ресурсов и времени подхода. Второстепенными они являются лишь по отношению к основной задаче. К таким задачам, например, относятся поиск ближайшей делянки стандарта в случае наличия нескольких стандартов, поиск оптимального пути движения селекционной машины по опыту, рандомизация. Алгоритмизацией второстепенных процессов команда отдела R&D занимается совместно с разработчиками.
Результаты НИОКР компании напрямую используются в текущей деятельности по разработке специализированного программного обеспечения по селекции и семеноводству.
