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Agricultural and Forest Meteorology|南京农业大学刘兵团队深度学习耦合过程作物模型,大幅提升小麦育种群体物候预测精度

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论文摘要



准确预测不同小麦基因型在不同环境条件下的物候期对于优化作物管理和培育具有广泛环境适应性的品种至关重要。基于过程的作物生长模型可以模拟基因型、环境条件和管理措施之间的综合交互作用,使其成为定量预测和评估作物表型的有用工具。然而,现有模型常常未能考虑极端天气条件对作物生长阶段的影响,导致预测准确率较低。本研究以小麦抽穗期为例,提出了一种将长短期记忆网络(LSTM)与两种广泛使用的小麦作物生长模型(APSIM-Wheat和WheatGrow)相结合的方法,以提高小麦育种群体抽穗期的预测准确率。数据-模型整合考虑了三种极端气候指数对小麦物候的影响,而这些指数在小麦生长模型中通常被忽略。利用中国和欧洲多个生态点的三个包含1142个基因型的小麦育种群体,我们验证了整合模型(APSIM-Wheat-LSTM、WheatGrow-LSTM)的有效性和稳健性。基于留一环境法(LOEO)交叉验证策略的结果表明,与单纯的数据驱动机器学习方法和独立的作物生长模型相比,整合模型在预测抽穗期方面具有更高的准确率和稳定性。该整合方法在不同作物生长模型和群体中也表现出良好的可转移性和泛化能力。使用解释性机器学习方法(GradientSHAP)进行的重要性分析表明,整合模型在预测不同群体的抽穗期时具有不同的特征效应,反映了模型在复杂环境中的预测机制。总体而言,数据-模型整合方法利用了作物生长模型强大的机理性和LSTM的高预测性优势,可以进一步提高小麦抽穗期的预测准确率。研究结果为智能作物育种中作物物候的定量预测提供了关键技术支持。。

关键图表



图 1.三个小麦群体种质资源来源地理分布 (A),以及欧洲 (B)、中国 (C) 小麦主产区各选取的代表性试验点位。A 图中:圆圈颜色代表不同小麦群体,圆圈大小表示种质数量;B、C 图中:红色点位分别代表欧洲和中国各 10 个代表性试验地点。本研究采用 3 个小麦群体,分别为 AGIS、GABI、iWheat 基因组分析群体

图 2.基于 WheatGrow-LSTM 融合方法预测小麦抽穗期的技术流程图。GSPs:基因型特定参数;CDDi:累积冷度日;Prcpi:生育阶段降水量;SunHi:生育阶段日照时数;EmeDAS:播种至出苗天数;TillDAE:出苗至分蘖天数;JoiDAT:分蘖至拔节天数;BotDAJ:拔节至孕穗天数;HeaDAB:孕穗至抽穗天数;GS1–GS5 为 5 个关键物候期:GS1 播种–出苗、GS2 出苗–分蘖、GS3 分蘖–拔节、GS4 拔节–孕穗、GS5 孕穗–抽穗。
图 3.三套数据集共 19 个试验环境下小麦抽穗期分布。(A) AGIS 数据集:E1–E3;(B) GABI 数据集:E4–E15;(C) iWheat 数据集:E16–E19。
图 4.基于 APSIM-Wheat 模型模拟,留一环境交叉验证(LOEO)下 5 个生育阶段(GS1–GS5)关键气象因子分布。各子图分别为:(A) 累积冷度日 CDD (℃・d)、(B) 阶段降水量 Prcp (mm)、(C) 阶段日照时长 SunH (h)。GS1–GS5 依次为:播种–出苗、出苗–三叶、三叶–顶小穗、顶小穗–旗叶、旗叶–抽穗。AGIS:E1–E3;GABI:E4–E15;iWheat:E16–E19。

图 5.基于 WheatGrow 模型模拟,留一环境交叉验证(LOEO)下 5 个生育阶段(GS1–GS5)关键气象因子分布。各子图分别为:(A) 累积冷度日 CDD (℃・d)、(B) 阶段降水量 Prcp (mm)、(C) 阶段日照时长 SunH (h)。GS1–GS5 依次为:播种–出苗、出苗–分蘖、分蘖–拔节、拔节–孕穗、孕穗–抽穗。AGIS:E1–E3;GABI:E4–E15;iWheat:E16–E19。

图 6.三套数据集下小麦抽穗期实测值与预测值对比:(A–C) APSIM-Wheat 模型;(D–F) APSIM-Wheat-LSTM 模型。不同颜色代表留一环境交叉验证(LOEO)中被留出的测试环境;采用平均均方根误差 RMSE 和决定系数R2评价模型精度。AGIS:E1–E3;GABI:E4–E15;iWheat:E16–E19。

图 7.三套数据集下小麦抽穗期实测值与预测值对比:(A–C) WheatGrow 模型;(D–F) WheatGrow-LSTM 模型。不同颜色代表留一环境交叉验证(LOEO)中被留出的测试环境;采用平均均方根误差 RMSE 和决定系数R2评价模型精度。AGIS:E1–E3;GABI:E4–E15;iWheat:E16–E19。

图 8.基于留一环境交叉验证(LOEO),三个小麦群体(AGIS、GABI、iWheat)所有测试环境下小麦抽穗期预测精度对比。上图为平均均方根误差 RMSE,下图为平均决定系数R2。对比模型包括:RF-Env、LASSO-Env、LSTM-Env、APSIM-Wheat-RF、APSIM-Wheat-LASSO、APSIM-Wheat-LSTM、WheatGrow-RF、WheatGrow-LASSO、WheatGrow-LSTM。

图 9.留一环境交叉验证(LOEO)下,APSIM-Wheat-LSTM 模型 5 个生育阶段(GS1–GS5)GradientSHAP 特征归因值。三行分别对应 AGIS、GABI、iWheat 三个小麦群体;关键环境因子包括各生育阶段累积冷度日 CDD、降水量 Prcp、日照时长 SunH。横轴为特征归因值:正值表示该特征使预测抽穗期推迟,负值表示使抽穗期提前,绝对值越大影响越强;圆点颜色对应特征原始数值大小:绿色为低值,黑色为高值。

图 10.留一环境交叉验证(LOEO)下,WheatGrow-LSTM 模型 5 个生育阶段(GS1–GS5)GradientSHAP 特征归因值。三行分别对应 AGIS、GABI、iWheat 三个小麦群体;关键环境因子包括各生育阶段累积冷度日 CDD、降水量 Prcp、日照时长 SunH。横轴为特征归因值:正值表示该特征使预测抽穗期推迟,负值表示使抽穗期提前,绝对值越大影响越强;圆点颜色对应特征原始数值大小:蓝色为低值,红色为高值。

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声明:本推文仅用于学习交流,不做其他任何目的。若有侵权,请联系微信号:GeeStudy_2020删除或修改!论文doi链接:https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2026.111154点赞、收藏、关注

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