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Predictive tools in corn breeding: from automated phenotyping to genomic selection

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Resumo

O uso de ferramentas preditivas tem se tornado uma rotina relevante em programas de melhoramento de milho, especialmente diante do grande número de híbridos a serem avaliados e à necessidade de apoiar a tomada de decisão ao longo do programa de melhoramento. Nesse contexto, estratégias baseadas em fenômica e seleção genômica têm ampliado as possibilidades de predição fenotípica e genotípica em diferentes etapas do melhoramento. No primeiro estudo, foi desenvolvida e validada uma metodologia de fenotipagem automatizada para a contagem do número de grãos por espiga a partir de imagens digitais, utilizando redes neurais convolucionais baseadas no algoritmo YOLOv8. O método apresentou elevada concordância com a contagem manual, com coeficiente de correlação intraclasse (ICC) de 0,89, e forte associação linear, com coeficiente de correlação de Pearson de 0,89, além de proporcionar redução de aproximadamente 63% no tempo de avaliação. No segundo estudo, foi avaliada a eficiência da seleção genômica na predição do desempenho de híbridos simples não avaliados em campo para o número de grãos por espiga, considerando cenários de genotipagem parental parcial. Modelos baseados exclusivamente em informações de pedigree (matriz A) e modelos que integraram informações de pedigree e genômica (matriz H) foram comparados sob diferentes esquemas de validação cruzada. Os modelos baseados na matriz H apresentaram maior capacidade preditiva média (0,51) e maior consistência no ranqueamento dos híbridos em relação aos modelos baseados apenas em pedigree (0,46), resultando em alterações no conjunto selecionado e em incrementos no ganho genético esperado. Em conjunto, os resultados demonstram que a aplicação integrada de ferramentas preditivas, tanto na fenotipagem automatizada quanto na predição genômica, contribui para tornar o processo de seleção de híbridos de milho mais eficiente e robusto, reforçando o potencial como suporte à tomada de decisão em programas de melhoramento.

Abstract

The use of predictive tools has become a common practice in maize breeding programs, particularly due to the large number of hybrids to be evaluated and the need to support decisionmaking throughout the breeding process. In this context, approaches based on phenomics and genomic selection have expanded the possibilities for phenotypic and genotypic prediction at different stages of breeding. In the first study, a methodology for automated phenotyping was developed and validated to count the number of kernels per ear from digital images, using convolutional neural networks based on the YOLOv8 algorithm. The method showed high agreement with manual counting, with an intraclass correlation coefficient (ICC) of 0.89 and a strong linear association, with a Pearson correlation coefficient of 0.89, in addition to providing an approximate 63% reduction in evaluation time. In the second study, the efficiency of genomic selection was evaluated for predicting the performance of single-cross hybrids not evaluated in the field for kernel number per ear, considering scenarios of partial parental genotyping. Models based exclusively on pedigree information (A matrix) and models integrating pedigree and genomic information (H matrix) were compared under different crossvalidation schemes. Models based on the H matrix showed higher mean predictive ability (0.51) and greater consistency in hybrid ranking compared with pedigree-based models (0.46), leading to changes in the selected set and increases in expected genetic gain. Overall, the results demonstrate that the integrated application of predictive tools, including automated phenotyping and genomic prediction, contributes to a more efficient and robust hybrid selection process in maize, reinforcing their potential as decision-support tools in breeding programs.

Descrição

Área de concentração

Genética e Melhoramento de Plantas

Linha de pesquisa

Melhoramento genético de plantas, genética quantitativa e biometria

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

ISBN

DOI

Citação

QUEIROZ, Lorena Gabriela Coelho de. Predictive tools in corn breeding: from automated phenotyping to genomic selection. 2026. 67 p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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