在玉米单倍体技术中, 单倍体鉴别是非常重要的环节。 该研究对大量玉米单倍体与杂合二倍体的近红外透射光谱进行分析, 以期建立一套在生产上实用的单倍体鉴别模型。 通过采集三组遗传背景不同的玉米单倍体与杂合二倍体籽粒光谱, 进行不同机器学习算法对比, 光谱预处理建模效果比较, 以及分析数据集大小对模型构建的影响。 对比所有单倍体与杂合二倍体的平均光谱, 发现二者在光谱的吸收峰位置基本相同, 但是单倍体的吸光度略高于杂合二倍体, 尤其是在波长940～1 120 nm以及1 180～1 316 nm这两段谱区差异较大。 在构建的几个模型中, 采用偏最小二乘法和神经网络算法的模型单倍体鉴别准确率较高, 分别为93.26%和95.42%。 测试集验证的结果与模型准确率一致, 表明两种算法适宜进行单倍体大规模筛选。 利用偏最小二乘法模型比较了不同光谱预处理方法的模型效果, 发现仅进行移动窗口平滑预处理原始光谱进行建模准确率最高。 对不同大小数据集的建模效果对比发现, 在一定范围内增大数据集有助于提高模型准确率。 而且数据中单倍体所占比例较高时, 单倍体预测召回率可达100%。 此外, 还根据籽粒颜色标记挑选出不易鉴别的单倍体和杂合二倍体, 利用偏最小二乘法构建的机器学习模型预测准确率可达93.39%, 显示出近红外鉴别单倍体的优势, 即有可能在不依赖籽粒颜色的情况下实现准确鉴别。 基于机器学习的近红外单倍体鉴别方法具有较高的准确率, 而且该方法还能在后期数据增加的基础上不断优化, 对其开展理论研究有望为自动化智能鉴别单倍体创造条件。

使用JDSU公司的MicroNIR1700型微型近红外光谱仪, 研究了适合进行单籽粒玉米单倍体鉴别的光谱测量方法。 基于近红外光谱定性分析技术, 比较了漫反射和漫透射两种情况下玉米单倍体鉴别的效果。 光谱数据经过预处理后, 采用PLS＋OLDA特征提取算法, 应用SVM建立玉米单倍体鉴别模型, 分别统计漫反射和漫透射实验条件下, 鉴别模型的正确识别率。 在微型光谱仪内置光源漫反射的光谱测量方式下, 不分胚面朝向, 玉米单倍体籽粒平均识别率低于60%, 不能有效鉴别玉米单倍体和多倍体。 而采用外置光源对籽粒进行漫透射光谱测量方式, 获得了平均正确识别率为93.2%的鉴别效果, 并且模型稳定性好。 实验结果表明, 漫反射光谱仅能获得玉米籽粒表层信息, 因此玉米籽粒胚面朝向严重影响漫反射光谱鉴别单倍体种子的效果; 而漫透射光谱可以实现分析光程纵深信息全累加, 能够得到样品内部的信息, 因此对胚面朝向不敏感, 能够有效地对随机摆放的玉米单倍体和多倍体进行识别。 近红外方法能快速、无损地鉴别单倍体, 并且微型光谱仪采集速度快, 成本低, 为实现实用化的自动鉴别提供了条件。

单倍体技术已发展成为玉米遗传研究及现代玉米育种的重要技术之一, 单倍体籽粒的鉴别筛选是其中的重要环节。 目前单倍体籽粒主要是依赖于籽粒的R1-nj遗传标记通过人工肉眼观察颜色的有或无进行鉴别, 费时费工。 而且部分材料由于标记颜色很难从籽粒外部观察到, 导致人工筛选准确率较低。 基于可见光光谱分析建立玉米单倍体籽粒鉴别方法, 探索利用可见光光谱鉴别玉米单倍体籽粒的可行性。 同时, 由于每季用于诱导单倍体的育种材料不尽相同, 模型须能够鉴别未参加建模的材料的单倍体。 本研究以9个遗传背景的单倍体和杂交籽粒共284粒作为试验材料, 利用便携式紫外-可见光光纤光谱仪采集单个玉米籽粒的可见光漫透射光谱。 光谱数据经平滑、 矢量归一化预处理和主成分分析, 基于支持向量机方法建立单倍体和杂交籽粒判别模型。 每次选择1个背景的样本作为测试集, 其余背景的样本作为建模集对模型进行交叉验证。 模型交叉验证平均正确判别率达到92.06%。 其中8次测试正确判别率在85%以上。 结果表明利用可见光光谱分析建立玉米单倍体籽粒鉴别方法, 并使模型可鉴别未参与建模材料的单倍体具有可行性。 并且基于该方法有望建立玉米单倍体籽粒的自动化快速筛选系统, 提高玉米单倍体育种效率。