Optimalizácia kalusovej kultúry Lavandula × intermedia Budrovka pomocou strojového učenia

Kaňuková Š.¹, Veničáková L.², Ali S.A.³, Ondreičková K.¹, Gerboc S.², Gubiš J.¹, Gubišová M.¹, Hudcovicová M.¹

¹ Národné poľnohospodárske a potravinárske centrum, Odbor rastlinnej výroby, Slovensko,² Univerzita sv. Cyrila a Metoda, Oddelenie biotechnológií, Slovensko, ³ Bilkent University, Oddelenie informačných systémov a technológií, Turecko

Úvod

Rod Lavandula zahŕňa aromatické druhy a hybridy významné produkciou silíc a ďalších biologicky aktívnych látok. Ich obsah a zloženie ovplyvňuje genotyp, fyziologický stav rastliny ako aj podmienky prostredia, čo môže obmedzovať reprodukovateľnosť získavaného rastlinného materiálu. Kalusové kultúry preto predstavujú kontrolovaný systém na produkciu rastlinnej biomasy a východiskový materiál pre bunkové kultúry využiteľné pri produkcii sekundárnych metabolitov. Akumulácia kalusovej biomasy pritom závisí od typu explantátu, kombinácie rastových regulátorov a dĺžky kultivácie, preto je optimalizácia týchto faktorov dôležitá pre vytvorenie reprodukovateľného kultivačného systému.

Cieľ

Cieľom práce bolo vyhodnotiť vplyv sledovaných faktorov na indukciu kalusu a akumuláciu biomasy L. × intermedia Budrovka, kvantifikovať ich relatívny príspevok a pomocou štatistických metód a metód strojového učenia optimalizovať podmienky kultivácie.

Metódy

Koreňové a stonkové explantáty L. × intermedia Budrovka boli počas 15 týždňov kultivované na MS médiu s 57 kombináciami rastových regulátorov. Každá kombinácia bola hodnotená v piatich biologických opakovaniach po piatich explantátoch. V trojtýždňových intervaloch sa hodnotila indukcia kalusu, čerstvá hmotnosť, štruktúra kalusového pletiva a tvorba adventívnych orgánov; kumulatívna akumulácia biomasy bola vyjadrená plochou pod rastovou krivkou. Účinok kultivačných faktorov bol hodnotený pomocou ANOVA. Čerstvá hmotnosť a indukcia kalusu boli modelované beta regresiou, GAM, Random Forest, SVR a XGBoost. Modely boli interne validované metódou LOOCV a overené na nezávislom validačnom súbore; kultivačné podmienky boli optimalizované algoritmom NSGA-II.

Výsledky

Kalus sa pri koreňových aj stonkových explantátoch tvoril už počas prvých troch týždňov. V 15. týždni sa čerstvá hmotnosť biomasy pohybovala od 6,64 ± 0,75 do 35,44 ± 3,77 g pri koreňových a od 3,31 ± 1,24 do 32,46 ± 1,74 g pri stonkových explantátoch. Čerstvú hmotnosť kalusu ovplyvňovali najmä kultivačné médium a dĺžka kultivácie, zatiaľ čo vplyv typu explantátu sa nepreukázal. Kombinácia 0,5 mg/l kyseliny 2,4-dichlórfenoxyoctovej a 0,5 mg/l kinetínu patrila pri oboch typoch explantátov medzi médiá s najvyššou akumuláciou biomasy (Obr. 1).

Pri predikcii čerstvej hmotnosti dosiahol najvyšší koeficient determinácie na experimentálnom súbore model XGBoost (0,9435) a na nezávislom validačnom súbore model SVR (0,9529). Predikcie modelov boli následne využité pri viaccieľovej optimalizácii kultivačných podmienok (Obr. 2). Výsledky poukazujú na využiteľnosť prediktívneho modelovania pri optimalizácii kalusovej kultúry L. × intermedia Budrovka.

Poďakovanie
Táto práca bola podporená Fondom na podporu výskumu Univerzity sv. Cyrila a Metoda v Trnave v rámci projektov FPPV-05-2026 a FPPV-31-2026.

Obr. 1. Rastová kinetika biomasy kalusu z koreňových a stonkových explantátov na vybraných médiách počas 15 týždňovej kultivácie. Hodnoty sú uvedené ako priemer ± SD.

Obr. 2. Viaccieľová optimalizácia kultivačných podmienok na základe predikovanej čerstvej hmotnosti a indukcie tvorby kalusu.