Avaliação e seleção de porta-enxertos de videira (Vitis spp.) tolerantes ao déficit hídrico através de aprendizagem de máquina

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: VERSLYPE, Nina Iris
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRPE
Texto Completo: http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/9516
Resumo: Plant breeding programs seek to select superior genotypes due to human needs, like productivity increase, stability, and quality of economically important species, besides reducing environmental impacts and production costs. Thus, the grapevine (Vitis spp.) is considered an economic, social, and food fruit tree important. However, climate change and the scarcity of water resources have provoked a growing investment in the development and use of drought-tolerant rootstocks. However, new drought-tolerant cultivar obtention is a long time-consuming, and complicated process as it's a polygenic characteristic. Because of this, use new tools like machine learning algorithms can leading to the identification and selection of new drought-tolerant cultivars due to the ability to manage large amounts of data and identify relevant patterns. In this sense, this work aimed to assess the genetic divergence of 45 grapevine rootstocks cultivars and predict the drought tolerance classes of the three Brazilian cultivars IAC313, IAC572, and IAC766, whose information is still unknown in the literature, through machine learning algorithms. For genetic divergence analysis, K-means and Principal Components Analysis algorithms were applied. The results obtained indicated five heterotic groups and 37 crossover options viable in the genetic divergence analysis for the evaluated traits, indicating divergence between the cultivars. The performance of six different algorithms was compared, such as Decision Tree, Random Forest, K-Nearest Neighbors, XGBoost, Support Vector Machines, and Linear Discriminant Analysis to predict drought tolerance classes. And the best performing algorithm was used to predict the degree of drought tolerance of the three Brazilian cultivars. The results indicated Random Forest as the best model, which predicted high drought tolerance for IAC 313 and IAC 766 and a low tolerance for IAC 572. In this sense, it was possible to achieve easy-to-understand results with the machine learning algorithms in our study, showing itself as another option helpful and accessible tool to breeders for identifying better crosses for a specific characteristic and predicting classes.
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spelling MUSSER, Rosimar dos SantosNASCIMENTO, André Câmara Alves doLEÃO, Patrícia Coelho de SouzaMACÁRIO FILHO, ValmirSILVA, Cláudia Ulisses de Carvalhohttp://lattes.cnpq.br/5714954931906782VERSLYPE, Nina Iris2024-02-20T16:13:57Z2021-07-15VERSLYPE, Nina Iris. Avaliação e seleção de porta-enxertos de videira (Vitis spp.) tolerantes ao déficit hídrico através de aprendizagem de máquina. 2021. 140 f. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Melhoramento Genético de Plantas) - Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife.http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/9516Plant breeding programs seek to select superior genotypes due to human needs, like productivity increase, stability, and quality of economically important species, besides reducing environmental impacts and production costs. Thus, the grapevine (Vitis spp.) is considered an economic, social, and food fruit tree important. However, climate change and the scarcity of water resources have provoked a growing investment in the development and use of drought-tolerant rootstocks. However, new drought-tolerant cultivar obtention is a long time-consuming, and complicated process as it's a polygenic characteristic. Because of this, use new tools like machine learning algorithms can leading to the identification and selection of new drought-tolerant cultivars due to the ability to manage large amounts of data and identify relevant patterns. In this sense, this work aimed to assess the genetic divergence of 45 grapevine rootstocks cultivars and predict the drought tolerance classes of the three Brazilian cultivars IAC313, IAC572, and IAC766, whose information is still unknown in the literature, through machine learning algorithms. For genetic divergence analysis, K-means and Principal Components Analysis algorithms were applied. The results obtained indicated five heterotic groups and 37 crossover options viable in the genetic divergence analysis for the evaluated traits, indicating divergence between the cultivars. The performance of six different algorithms was compared, such as Decision Tree, Random Forest, K-Nearest Neighbors, XGBoost, Support Vector Machines, and Linear Discriminant Analysis to predict drought tolerance classes. And the best performing algorithm was used to predict the degree of drought tolerance of the three Brazilian cultivars. The results indicated Random Forest as the best model, which predicted high drought tolerance for IAC 313 and IAC 766 and a low tolerance for IAC 572. In this sense, it was possible to achieve easy-to-understand results with the machine learning algorithms in our study, showing itself as another option helpful and accessible tool to breeders for identifying better crosses for a specific characteristic and predicting classes.Os programas de melhoramento genético de plantas buscam selecionar genótipos superiores, para atender as necessidades do homem, no aumento da produtividade, na estabilidade e qualidade das espécies de importância econômica, assim como na redução dos impactos ambientais e nos custos de produção. Dessa forma, a videira (Vitis spp.) é considerada uma fruteira perene de grande importância econômica, social e alimentar. Porém face às mudanças climáticas e a limitação de recursos hídricos, tem havido um crescente investimento no desenvolvimento e uso de porta-enxertos tolerantes ao déficit hídrico. No entanto, a obtenção de novas cultivares, tolerantes ao déficit hídrico, trata-se de um processo demorado e difícil por ser uma característica poligênica. Por conta disto, o uso de novas ferramentas, tais como o uso algoritmos de aprendizado de máquina podem facilitar identificação e obtenção de novas cultivares tolerantes ao déficit hídrico, devido a capacidade de gerenciar grandes quantidades de dados e identificar padrões relevantes. Neste sentido, o objetivo deste trabalho foi de avaliar a divergência genética de 45 cultivares de porta-enxertos de videira, assim como, de predizer classes de tolerância ao déficit hídrico nas três cultivares brasileiras IAC313, IAC572 e IAC766, cuja a informação na literatura é desconhecida, através de algoritmos de aprendizagem de máquina. Como método para análise de divergência genética, foram empregados algoritmos de agrupamento K-means e a Análise de Componentes Principais. A partir dos resultados obtidos na análise de divergência genética para as características avaliadas, foram formados cinco grupos heteróticos e identificados 37 opções de cruzamentos viáveis, indicando existir divergência entre as cultivares. Para a predição de classes de tolerância ao déficit hídrico, foi comparado o desempenho de seis algoritmos distintos, como o Decision Tree, Random Forest, K-Nearest Neighbors, XGBoost, Support Vector Machines e Linear Discriminant Analysis. E em seguida através do algoritmo com melhor desempenho, predizer o grau de tolerância ao déficit hídrico das três cultivares brasileiras. Os resultados indicaram o Random Forest como melhor algoritmo e pode-se predizer que as cultivares IAC 313 e IAC 766 apresentam alta tolerância ao déficit hídrico e o IAC 572 baixa tolerância. Neste sentido, o uso algoritmos de aprendizado de máquina em nosso trabalho, possibilitaram alcançar resultados de fácil entendimento, mostrando-se como mais uma opção de ferramenta acessível e útil ao melhorista, para a identificação de melhores cruzamentos para uma característica específica e predição de classes.Submitted by (ana.araujo@ufrpe.br) on 2024-02-20T16:13:57Z No. of bitstreams: 1 Nina Iris Verslype.pdf: 5670585 bytes, checksum: 5f623bc0e291279d492edbab6bfa1a67 (MD5)Made available in DSpace on 2024-02-20T16:13:57Z (GMT). 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