Подписаться на нашу рассылку

    Цифровые технологии в оценке качества семян овощных культур

    Семена сельскохозяйственных культур — важнейшие и основные компоненты сельского хозяйства. Получение качественных семян остается основной целью современных селекционных программ. От «Селекции 1.0» до «Селекции 4.0» со временем произошли значительные изменения. В «Селекции 1.0» используется опыт фермеров для субъективного отбора семян. «Селекция 4.0» (Россия) сосредоточена на сборе данных и междисциплинарных исследованиях (например, науке о жизни и информатике). Независимо от этой эволюции фенотипы семян всегда были наиболее непосредственными проявлениями селекци.

    Фенотипы семян в первую очередь включают массу, цвет, размер, форму и количество. Невооруженным глазом обычно можно увидеть многочисленные внешние фенотипы. Традиционные методы тестирования семян основаны на ручных методах измерения и сенсорной оценке количественных факторов, цвета, формы. Тем не менее эти критерии оценки часто противоречат друг другу. Кроме того, требуется много времени и усилий.

    Для изучения видимой морфологии семян невооруженным глазом изображение часто заменяют красно-зелено-синим (RGB). RGB-визуализация, как один из репрезентативных цифровых методов, быстро используется в анализе фенотипа семян благодаря их бесконтактным и высокопроизводительным измерительным характеристикам. По сравнению с традиционной оценкой фенотипа вручную методы, основанные на цифровой визуализации, могут разложить сложный состав фенотипа с помощью неразрушающего контроля и устранить субъективные отклонения, вносимые исследованием невооруженным глазом. Эти преимущества могут снизить потери семян и обеспечить получение высококачественной цифровой информации о фенотипе в сочетании с передовыми алгоритмами обработки данных.

    Цифровые технологии могут помочь в выявлении различных фенотипов семян, повышая эффективность оценки семян и принятия селекционных решений.

    В последние десятилетия исследователи приложили значительные усилия к алгоритмам обработки изображений RGB для сбора как можно большего количества данных, что привело к быстрому развитию машинного зрения. Признаки различных классов позволяют различать семена различных сортов. Изображение RGB записывает видимую информацию об объектах, такую как цвет, морфология и текстура, обнаружение очевидных повреждений. В соответствии с неоднородностью и сходством пикселей алгоритмы сегментации могут выполнять быстрый подсчет семян, оценку качества и измерение внешнего размера.

    В сочетании с функциями распознавания объектов и определения местоположения алгоритмы обнаружения могут точно определять отличие, положение и форму каждого семени, что обеспечивает поддержку принятия решений при сортировке семян и способствует автоматизации всего процесса оценки фенотипа семян.

    С развитием современных технических и программных средств появилась возможность использования технологии компьютерного анализа изображений семян. Со снижением стоимости цифровых камер и развитием датчиков получение высококачественных изображений стало более удобным, что сделало RGB-визуализацию широко используемым методом получения признаков семян.

    Цифровая визуализация применена на семенах кукурузы для подсчета зерен, измерения размера, идентификации повреждений от шелушения, гаплоидной сортировки семян, на сое — оценки качества, распознавания внешнего вида по качеству, оценки всхожести и силы прорастания семян, на рапсе — подсчета семян и распознавания сортов, перце — распознавания сортов.

    Разработка цифровых систем мониторинга семян важна и для зерновых культур, так как позволит проводить более эффективный отбор партий для семенных, продовольственных и фуражных целей. Установлена связь показателей структурной целостности зерновки с ее ростовыми показателями на стартовых этапах прорастания.

    В Федеральном научном центре овощеводства совместно с сотрудниками Агрофизического НИИ с 2017 г. начаты исследования по разработке метода цифрового морфометрического анализа качества семян овощных культур. Установлено, что метод достоверно различает разнокачественные партии семян по размерным и цветовым характеристикам.

    Цели работы — определение морфометрических параметров семян овощных культур путем программного анализа цифровых сканированных изображений и установление связи данных показателей с их жизнеспособностью и качественными показателями.

    Материалы и методы исследования

    Исследования проводили на базе Федерального научного центра овощеводства и Агрофизического НИИ в 2022–2023 гг.

    Материалом для исследований были семена сортов и гибридов лука репчатого сорта Классика, редиса сорта Соната и разные сорта и гибриды капусты белокочанной селекции Федерального научного центра овощеводства и Всероссийского научно-исследовательского института — филиала Федерального научного центра овощеводства и его филиала ВНИИО, Агрофирмы «Поиск» (Россия), полученные у оригинаторов.

    Семена лука репчатого и редисасепарировали на три размерных калибра с использованием набора лабораторных сит ИСО 3310-2 (ООО «ЛаборКомплект», Россия), каждый калибр в свою очередь на воздушном сепараторе поделили на две фракции по плотности (легкие, тяжелые). Оценку проводили как по размеру (цифровая морфометрия), так и по массе (масса 1000 семян — ГОСТ 12042) калиброванных семян.

    Проведен анализ энергии прорастания и всхожести семян лука репчатого, редиса и капусты белокочанной в лабораторных условиях согласно ГОСТ 12038.

    Морфометрический анализ проводили по цифровым изображениям семян, полученных с помощью планшетного сканера HP Sсanjet 200 (США). Снимки сохранены в формате файлов BMP, TIFF, JPG. Выбор необходимого и достаточного разрешения при сканировании определяли техническими возможностями сканера (максимальное разрешение — 2400 DPI), ресурсами программного обеспечения и персонального компьютера, размерами семян.

    Морфометрический анализ цифровых сканированных изображений семян выполнили на базе Агрофизического НИИ с использованием серийного программного обеспечения «ВидеоТесТ-Морфология» («Аргус-BIO», г. Санкт-Петербург, Россия).

    Методика включала в себя подбор контрастного фона, сканирования семян с минимальными теневыми эффектами (рис. 1), калибровку программного обеспечения для привязки к реальным размерным величинам, выбор параметров измерений и непосредственно автоматический анализ цифровых сканированных изображений семян.

    По результатам морфометрического анализа программа выдает массив данных по ряду размерных параметров семян (более 20 технических параметров размерных и цветовых характеристик семян: площадь проекции, периметр, длина, ширина, средний размер, округлость, удлиненность и др.).

    Посчитан параметр «округлость» (коэффициент округлости) для семян капусты как важный качественный показатель, выражающий отношение периметра семени к периметру круга с той же площадью. Точность измерений составляет 0,001 см.

    Данные лабораторных измерений (масса 1000 семян) и анализов (энергия прорастания и всхожесть семян) статистически обработали с использованием пакета прикладных программ Microsoft Office Excel (США).

    Результаты и обсуждение

    Семена лука репчатогосепарировали на три размерных калибра, каждый калибр в свою очередь поделили на две фракции по плотности, определили массу 1000 семян для каждого калибра и фракции (табл. 1).

    Морфометрический цифровой анализ семян лука репчатого позволил выявить степень размерной выровненности семян. Общая фракция семян оказалась совершенно не выровнена по размеру (рис. 2).

    Семена по показателю «площадь проекции» колебались от 4,6 до 10,5 мм2. Калибровка семян способствовала значительной выровненности фракции: 4,7–8,9 мм — для I фракции, 5,3–9,1 мм — для II фракции, 5,23–9,9 мм — для III фракции.

    Размерная выровненность семян (калибровка) имеет важное агрономическое значение. Она позволяет подобрать семена с одинаковой энергией и запасом питательной ткани, обеспечивает точный высев и равномерные всходы растений. Однако даже размерные показатели семян не могут полностью раскрыть их качественную характеристику. Крупносемянность, как показала практика, связана с повышенной требовательностью к условиям возделывания. Наиболее важным показателем является не столько крупность семян, сколько их удельная плотность, указывающая на плотность укладки зародыша и элементов питательной ткани.

    Семена лука каждой размерной фракции были сепарированы на воздушной колонке по плотности. Получены две фракции по плотности (легкие, тяжелые) каждой размерной фракции семян. Определяли энергию прорастания и всхожесть каждой фракции семян.

    Прослеживается четкая тенденция: легкие и тяжелые семена разных размерных фракций по всхожести между собой отличались в несколько раз: фракция 1,6–1,8 мм — легкая 11%, тяжелая 58,5%; 1,8–2,0 мм — легкая 19,5%, тяжелая 75,5%; фракция 2,0–2,2 мм — легкая 36,5%, тяжелая 67,5% (рис. 3). Следовательно, разделяя семена по размеру и плотности, можно существенно улучшить показатели их жизнеспособности.

    В результате исследований выявлено, что высокими посевными качествами обладали не самые крупные семена, к тому же они в партии семян не составляли большинства. Фракции средние и выше среднего размера (1,8–2,0 мм) и тяжелые по плотности более жизнеспособны с высокой энергией прорастания 67,5% и всхожестью 75,5%.

    Семена редиса сепарировали на четыре размерных калибра, каждый размерный калибр в свою очередь поделили на две фракции по плотности (легкие, тяжелые) (табл. 2).

    Партия семян редиса была совершенно не выровнена по размеру (общая фракция) (рис. 4). Семена по площади проекции колебались от 3,3 до 11,7 мм2. Калибровка семян способствовала значительной выровненности фракции: 2,3–5,4 мм2 — для I фракции; 2,4–6,1 мм2 — для II фракции. Только V фракция оказалась меньшей выровненности из-за наличия самых крупных семян.

    Определены параметры жизнеспособности каждой фракции семян. Прослеживается четкая тенденция: энергия и всхожесть семян растут от мелкой фракции до средней, выше средней, далее к крупной фракции идет некоторое снижение всхожести (рис. 5). Высокой всхожестью (100%) семян отличились фракции 2,0–2,5 мм, то есть не самые крупные.

    Фракции семян по плотности между собой по жизнеспособности отличались еще больше: по всем трем размерным калибрам (2,0–2,2, 2,2–2,5, 2,5–2,8 мм) энергия прорастания и всхожесть семян были выше у тяжелых фракций относительно легких. Следовательно, разделяя семена по плотности, можно существенно улучшить показатели их посевных качеств. В деле повышения посевных качеств семян овощных культур разделение их по размеру и плотности внутренней структуры имеет решающее значение. Эксперимент показал, что семена, выровненные по размеру и плотности, выровнены по энергии прорастания и всхожести.

    Проведен лабораторный анализ посевных качеств (энергии прорастания и всхожести) коллекции семян капусты белокочанной. В целом они отмечены на достаточно высоком уровне: по всхожести семян 19 образцов отнесены к I классу (выше 85%), только 4 образца оказались во II классе (табл. 3). По величине важного качественного показателя «масса 1000 семян» (от 3,12 до 4,88 г) коллекция соответствовала стандартам, что свидетельствует о спелости и выполненности партий семян.

    Программа морфометрического анализа семян путем измерения длины и ширины рассчитывает параметры округлости и удлиненности семян, указывающие на их форму. Форма семян, как известно, служит ярким показателем их полноценности. Зрелые, выполненные семена капусты имеют округлую форму. В данном анализе более округлой формой семян отличились образцы сортов Лосиноостровская 8, Малахит F1, Мечта F1, Надежда. У них индекс округлости превышал 0,9 (рис. 6).

    Примечательно, что данные образцы оказались ниже средней массы семян (табл. 3). Крупные семена Герцогини F1 и СБ-3, наоборот, оказались немного овальными с индексом округлости 0,85 и 0,83. Следовательно, размер семян не сполна определяет их посевные качества, более важна форма семян как свидетельство их выполненности и полноценности.

    Выводы

    Установлено, что сепарация семян по размеру и плотности и оценка их линейных параметров методом цифровой морфометрии позволяют значительно выровнять их и улучшить качественные показатели.

    Лучшими посевными качествами обладали фракции выше среднего размера и более плотные: для лука репчатого — 1,8–2,0 мм, для редиса — 2,2–2,5 мм. Для семян капусты важным параметром посевных качеств является их форма, для полноценных семян индекс округлости может составить выше 0,9.

    Развитие методики цифровой морфометрии позволит определить оптимальные параметры размера и формы семян каждого вида овощных культур и характеризовать их качественные показатели.

    Об авторах

    Фархад Багадыр оглы Мусаев1; доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник

    musayev@bk.ru; https://orcid.org/000-0001-9323-7741

    Тел. +7 (926) 467-27-83

    Мария Ивановна Иванова2; доктор сельскохозяйственных наук, профессор РАН

    ivanova_170@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-7326-2157

    Николай Сергеевич Прияткин3 кандидат технических наук, старший научный сотрудник

    prini@mail.ru; http://orcid.org/0000-0002-5974-4288

    1Федеральный научный центр овощеводства, ул. Селекционная, 14, пос. ВНИИССОК, Одинцовский р-н, Московская обл., 143080, Россия

    2Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства — филиал Федерального научного центра овощеводства, дер. Верея, стр. 500, Раменский р-н, Московская обл., 140153, Россия

    3Агрофизический научно-исследовательский институт, Гражданский пр-т, 14, Санкт-Петербург, 195220, Россия

    УДК 631.53.011 : 635.25/.26 : 004.932.2
    DOI: 10.32634/0869-8155-2024-388-11-139-144

    Просмотров: 4 128
    Журнал «Аграрная наука»

    Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии

    ПОДПИШИТЕСЬ
    БЕСПЛАТНО
    на электронную версию журнала «Аграрная наука» и получайте ежемесячно pdf на свой e-mail.

      Нажимая на кнопку Вы соглашаетесь с политикой обработки персональных данных