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Evaluation of wheat blast resistance and AI-based digital phenotyping for parent selection in wheat breeding

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Resumo

A brusone, causada pelo fungo Pyricularia oryzae linhagem Triticum (PoTl), é uma das principais doenças que ameaçam a cultura do trigo em regiões tropicais e subtropicais, podendo ocasionar perdas severas de produtividade. Como a avaliação de resistência convencional é laboriosa e a resistência genética é fundamental para o manejo, o objetivo deste trabalho foi avaliar a resistência de 20 cultivares de trigo a quatro isolados de PoTl, analisar a interação cultivar × isolado via análise dialélica para identificar genitores promissores, e desenvolver um pipeline de análise de imagens integrado a redes neurais convolucionais (CNN) para automatizar a estimativa da severidade. Foram conduzidos experimentos em casa de vegetação nos anos de 2024 e 2025. Foram avaliados os caracteres de Severidade da Doença (SD), Área Abaixo da Curva de Progresso da Doença (AUDPC), Número de Grãos por Espiga (NGS), Número de Grãos Chochos (NSG) e Peso dos Grãos (GW). A análise estatística revelou efeitos significativos para as interações entre cultivar, isolado e ano. A análise dialélica evidenciou agressividade diferencial entre os isolados e identificou genótipos com alta capacidade geral de combinação. Com base no índice MGIDI, as cultivares TBIO Convicto, MGS Brilhante, TBIO Calibre, ORS Soberano e BRS 404 foram selecionadas como promissoras para uso como genitoras em programas de melhoramento no Brasil. Paralelamente, aos 11 dias após a inoculação, foram obtidas imagens das espigas, as quais foram segmentadas do fundo em formato PNG com fundo transparente. Para realizar a segmentação e separação entre tecidos sadios e sintomáticos, aplicou-se o algoritmo k-means nos canais de Matiz (H) e Saturação (S). A severidade foi quantificada e as espigas foram categorizadas em quatro classes de reação. Três modelos de CNN baseados na arquitetura YOLOv11 nano foram treinados com transferência de aprendizado. O uso do processamento de imagens estimou efetivamente a área doente com maior acurácia que a avaliação visual humana, apresentando um coeficiente de concordância de Lin de 0,85. O modelo geral de classificação atingiu até 99% de acurácia na validação interna e manteve desempenho satisfatório na validação com imagens independentes. Conclui-se que o pipeline de imagens é promissor para fenotipagem digital e que os genótipos selecionados constituem fontes estratégicas de resistência para a triticultura.

Abstract

Wheat blast, caused by the fungus Pyricularia oryzae Triticum lineage (PoTl), is one of the major diseases threatening wheat crops in tropical and subtropical regions, which can cause severe yield losses. Since conventional resistance assessment is labor-intensive and genetic resistance is essential for management, the objective of this study was to evaluate the resistance of 20 wheat cultivars to four PoTl isolates, analyze the cultivar × isolate interaction via diallel analysis to identify promising parents, and develop an image analysis pipeline integrated with convolutional neural networks (CNN) to automate severity estimation. Greenhouse experiments were conducted in 2024 and 2025. The evaluated traits were Disease Severity (DS), Area Under the Disease Progress Curve (AUDPC), Number of Grains per Spike (NGS), Number of Shriveled Grains (NSG), and Grain Weight (GW). Statistical analysis revealed significant effects for the interactions among cultivar, isolate, and year. Diallel analysis evidenced differential aggressiveness among isolates and identified genotypes with high general combining ability. Based on the MGIDI index, the cultivars TBIO Convicto, MGS Brilhante, TBIO Calibre, ORS Soberano, and BRS 404 were selected as promising for use as parents in breeding programs in Brazil. Concurrently, 11 days after inoculation, images of the spikes were obtained, which were segmented from the background in PNG format with a transparent background. To perform the segmentation and separation between healthy and symptomatic tissues, the k-means algorithm was applied to the Hue (H) and Saturation (S) channels. Severity was quantified, and the spikes were categorized into four reaction classes. Three CNN models based on the YOLOv11 nano architecture were trained using transfer learning. The use of image processing effectively estimated the diseased area with higher accuracy than human visual assessment, showing a Lin's concordance correlation coefficient of 0.85. The general classification model achieved up to 99% accuracy in internal validation and maintained satisfactory performance in validation with independent images. It is concluded that the image pipeline is promising for digital phenotyping and that the selected genotypes constitute strategic sources of resistance for wheat farming.

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

TEIXEIRA, Camila Helena. Evaluation of wheat blast resistance and AI-based digital phenotyping for parent selection in wheat breeding. 2026. 117 p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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