Automated devices for quantitative phenotyping of sunflower seeds

Abstract

To develop new sunflower varieties, it is important to accurately assess phenotypic traits that influence yield, disease resistance, and stress tolerance. Automation allows for systematic data collection and more informed decision-making in the breeding process. The goal of the work was to enhance the efficiency of selecting and predicting the development of sunflower genotypes through the development of new methods, hardware, and software tools for quantitative phenotypic characterisation of seeds. The methods for determining phenotypic characteristics of sunflower seeds, including geometric dimensions, mass, colour, rheological properties, and seed surface properties, have been presented and improved. A module for determining the morphological properties of seeds (geometric dimensions, mass, surface colour, etc.) was developed. This module was configured for high precision in the individual measurement of the geometric dimensions of sunflower seeds, with the determination of their shape and colour. It ensured low labour intensity and high technological efficiency in the implementation of the phenotyping procedure (determination, identification, and separation) of seeds. The methodology for analysing the rheological properties of seeds was refined, and a method for their automatic determination, along with a corresponding module, was substantiated. The proposed module maintains the accuracy of individual measurement of the rheological properties of seeds, consistent with modern measurement tools, while ensuring low labour intensity and high technological efficiency. Additionally, the module significantly reduced the influence of the human factor on the accuracy of measuring the rheological properties of seeds. The proposed module for determining seed surface properties ensured the accuracy of individual measurements of the coefficients of static and sliding friction of seeds, aligning with modern measurement tools, while also ensuring low labour intensity and high technological efficiency. This also significantly minimised the influence of the human factor on the accuracy of these measurements. The use of automated devices in practical conditions can help optimise the selection of seeds with the best characteristics Для створення нових сортів соняшнику важливо точно оцінити фенотипові ознаки, які впливають на врожайність, стійкість до хвороб і стресостійкість. Автоматизація дозволяє систематично збирати дані та приймати більш обґрунтовані рішення в процесі селекції. Фенотипування рослин – це комплексна оцінка складних ознак рослин, таких як ріст, розвиток, стійкість, архітектура, фізіологія, екологія та врожайність, а також базове вимірювання окремих кількісних параметрів, що формують основу для складніших ознак. Метою роботи є підвищення ефективності добору та прогнозування розвитку генотипів соняшнику шляхом розробки нових методів, апаратних і програмних інструментів для кількісної фенотипової характеристики насіння. Представлені і удосконалені методи визначення фенотипових характеристик насіння соняшнику, а саме геометричних розмірів, маси, забарвлення, реологічних властивостей і властивостей поверхні насіння. Розроблено модуль визначення морфологічних властивостей насіння (геометричні розміри, маса, забарвлення поверхні тощо). Модуль налаштований на високу точність індивідуального вимірювання геометричних розмірів насіння соняшнику із визначенням їх форми і забарвлення та забезпечують низьку трудомісткість і високу технологічність реалізації процедури фенотипування (визначення, ідентифікації і сепарації) насіння. Удосконалено методику аналізу реологічних властивостей насіння й обґрунтовано спосіб їх автоматичного визначення і модуль для цього. Запропонований модуль зберігає точність індивідуального вимірювання реологічних властивостей насіння, що відповідає сучасним вимірювальним засобам, та забезпечує низьку трудомісткість і високу технологічність. Крім того, запропонований модуль дозволяють визначати силу пружності, модуль пружності, показники статичного гістерезису пружності, що неможливо виконати за допомогою безпосереднього вимірювання, а отже, підвищується загальна продуктивність дослідження. При цьому також значною мірою зникає вплив людського фактору на точність вимірювання реологічних властивостей насіння. Запропонований модуль для визначення властивостей поверхні насіння дозволяє зберегти точність індивідуального вимірювання коефіцієнтів тертя спокою і ковзання насіння, що відповідає сучасним вимірювальним засобам та забезпечує низьку трудомісткість і високу технологічність. При цьому також значною мірою виключається вплив людського фактору на точність вимірювання. Використання автоматизованих пристроїв у практичних умовах може допомогти оптимізувати відбір насіння з найкращими характеристиками.