Návrh schématu výsadby semenných sadů na bázi panmiktického modelu

Bc. Kateřina Chaloupková

Master's thesis

Proposal of a new seed orchard layout assuming panmictic model

Abstract:

AbstraktPráce popisuje nový, panmiktický model schématu semenných sadů lesních dřevin, který lze využít buď samostatně, či v kombinaci s již existujícími designy bez toho, aby jakkoli ztrácel na svojí efektivitě. Zde se jedná konkrétně o kombinaci s tzv. Minimum Inbreeding designem. Problematika zakládání semenných sadů a význam dosažení panmixie a minimalizace příbuzenského křížení v populaci semenného sadu jsou popsány v teoretické části práce. Výsledný algoritmus definuje panmiktickou situaci v semenném sadu jako stav, kdy spolu všechny klony v rámci sadu přímo sousedí se stejnou četností. K docílení tohoto stavu byl využit vzorec pro výpočet rozptylu, který je minimalizovanou kriteriální funkcí. Algoritmus byl naprogramován v jazyku R a následně testován pro různé typy zadání, zahrnující vyrovnané i nevyrovnané počty ramet dílčích klonů a různé velikosti a tvary (obdélníkové a neobdélníkové plochy) sadu. Pro hodnocení výsledných řešení byla pro každé z nich stanovena vlastní referenční hladina - tzv. teoretický minimální rozptyl. Celý model je schopen řešit všechny zmíněné situace a je značně efektivní především v případě vyrovnaných počtů klonů, kdy je často již při první iteraci nalezeno velice kvalitní řešení zadané úlohy. Dále práce hodnotí efektivitu MI schématu v případě použití klonových řad. Konečným výsledkem je schéma semenného sadu zahrnující klonové řady předdefinované pomocí MI designu, které byly obtečeny panmiktickým algoritmem, přičemž bylo optimalizováno i okolí těchto řad. Toto schéma bude použito pro založení semenného sadu druhu Abies fraseri v Severní Karolíně v rámci NCSU Christmas Tree Genetics Program. V závěru práce jsou shrnuty možné další úpravy celého algoritmu, jako například zahrnutí lokálních separačních zón, nebo asortativního (preferenčního) křížení.

Abstract:

The new panmictic model of seed orchard scheme for forests trees is described in this thesis. It can be used either alone or in combination with existing designs without losing efficiency. In this case it iscombined with Minimum Inbreeding design. The establishment of seed orchards and importance of achieving panmixy and minimizing inbreeding in the population of seed orchard are described in the theoretical part. The resultant algorithm defines panmictic situation as a situation where close neighborhoods of all possible combinations of clones occur within the seed orchard grid with the same frequency. To achieve this we developed a formula for variance that is minimized as a criterion function. The algorithm has been programmed in R and it was tested for different tasks including balanced or unbalanced numbers of clones and different sizes or shapes (rectangular or non-rectangular shape) of orchard. The model is able to solve all of these situations, and it is very effective especially in the case of balanced numbers of clones. Optimal solution of the given task was often found at the first iteration. To evaluate the relative quality of resulting schemes theoretic proxy to level of maximum panmixy was defined for every specific task- the Theoretical minimum variance. The effectiveness of MI scheme combined with clonal rows was also evaluated. The result is a hybrid scheme with predefined MI clonal rows surrounded by panmictic algorithm, while close neighborhood of clonal rows was also optimized. This scheme will be used for the establishment of Abies fraseriseed orchard in North Carolina under NCSU Christmas Tree Genetics Program. Another possible modifications of the algorithm, such as the inclusion of local separation zones or assortative mating are summarized in conclusions.

Keywords

semenné sady, šlechtění lesních dřevin, panmiktická populace, kvadratická přiřazovací úloha

Keywords

seed orchards, tree improvement, panmictic population, quadratic assignment problem

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 4. 2016

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Milan Lstibůrek, MSc Ph.D.
• Reader: Vladimír Hynek, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Master programme / field:
Forestry Engineering / Forest Engineering