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为解决山楂（Crataegus monogyna）在体外繁殖及保存问题，Van Yuzuncu Yil 大学研究人员开展合成种子生产及用机器学习算法预测其再生的研究。结果显示，4°C 储存的合成种子再生效果最佳，且多种机器学习模型预测精度达 97.3%，为植物保育和繁殖提供新策略。
在大自然的植物宝库中，山楂（Crataegus monogyna）是一种极具价值的植物。它不仅是生态系统中众多动物的重要食物来源，在维持生态平衡方面发挥着关键作用，还在传统医学领域有着悠久的应用历史，特别是对心血管疾病的治疗效果显著。然而，目前山楂在繁殖和保存方面面临着诸多挑战。传统的繁殖方式效率较低，难以满足对其日益增长的需求；同时，如何在储存过程中保证种子的活力和再生能力，也是亟待解决的问题。
为了攻克这些难题，Van Yuzuncu Yil 大学的研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们聚焦于山楂的合成种子生产，并运用机器学习算法预测合成种子的再生情况。该研究成果发表在《Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)》上，为植物保育和繁殖领域带来了新的曙光。
研究人员采用了一系列先进的技术方法。在材料准备方面，选取了源自土耳其凡城自然生长的橙色果实植株的微繁殖培养物作为外植体。在实验操作上，对繁殖体进行封装，通过特定的离子交换反应形成合成种子。实验设置了不同的储存温度（-20°C、4°C、24°C）和储存时间（1 个月、2 个月、3 个月），并使用两种不同的培养基，即不含激素的 Murashige and Skoog 培养基（HF-MS）和添加 2mg/L 吲哚 - 3 - 乙酸（IAA）的 Murashige and Skoog 培养基（MS + IAA）。此外，运用决策树（DT）、高斯过程（GP）、多层感知器（MLP）、随机森林（RF）和极端梯度提升（XGBoost）等机器学习模型，对合成种子的再生结果进行预测和分析。
研究结果主要从以下几个方面展开：
- 合成种子的再生情况：储存后的合成种子在 2 - 3 周内开始再生。在不同培养基中，HF-MS 培养基的再生率为 20.44%，而 MS + IAA 培养基中未观察到再生现象。储存温度对再生影响显著，4°C 储存的合成种子再生效果最佳，达到 20.33%；24°C 储存会降低再生性能，为 10.33%；-20°C 储存则抑制种子再生。激素与储存温度的相互作用也表现出明显差异，4°C 储存且在 HF-MS 培养基中培养的合成种子再生性能最佳，可达 40.66%。
- 储存时间对再生的影响：研究发现，不同储存时间对合成种子的再生率影响不显著。储存 1 个月且在 HF-MS 培养基中培养的合成种子再生率最高，为 26.66%；储存 2 个月和 3 个月的再生率均为 17.33%。
- 多因素交互作用对再生的影响：激素、储存温度和储存时间的三因素交互作用对合成种子的再生率有显著影响。在 MS + IAA 培养基或 - 20°C 储存的种子，无论其他因素如何，均无法再生。在 HF-MS 培养基中，4°C 储存 1 个月的种子再生效果最好，再生率可达 50%；在 24°C 储存并在 HF-MS 培养基中培养的种子，随着储存时间的增加，再生性能下降，储存 3 个月时再生率最低，仅为 8%。
- 机器学习模型的性能：在评估的机器学习模型中，DT、MLP、RF 和 XGBoost 模型表现出色，预测准确率均达到 97.3%，F1 分数为 0.947，表明这些模型在预测种子再生条件方面具有较高的可靠性。相比之下，GP 模型的准确率较低，为 75.7%，F1 分数为 0.667，但该模型在召回率方面表现完美，达到 1.0。
- 特征重要性分析：通过特征重要性分析发现，温度是影响再生率的最主要因素，其次是激素。不同模型中，各因素的重要性略有差异。例如，在 DT 模型中，温度的贡献为 47.7%，激素为 47.1%，储存时间仅为 5.2%；在 RF 模型中，激素的重要性最高，为 53.9%，其次是温度，为 40.7%。
- 表面和等高线图分析：表面和等高线图直观地展示了储存条件与再生率之间的关系。结果表明，4°C 储存时再生率最高，且在 HF-MS 培养基中的再生效果优于 MS + IAA 培养基。回归分析进一步证实，温度对再生率有正向初始影响，但高温会抑制再生，激素与储存温度的相互作用也对再生率产生负面影响。
综合研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。一方面，明确了山楂合成种子的最佳储存条件为 4°C，这为山楂的短期保存提供了科学依据，有助于保护山楂的遗传资源。另一方面，机器学习模型在预测合成种子再生方面的成功应用，为植物生物技术领域提供了新的方法和思路。通过这些模型，可以更准确地预测不同条件下种子的再生情况，从而优化繁殖策略，提高植物繁殖效率。此外，研究还揭示了温度、激素等因素对种子再生的影响机制，为深入理解植物种子的生理过程提供了参考。这些成果不仅对山楂的保育和繁殖具有重要意义，也为其他植物的相关研究提供了借鉴，推动了植物科学领域的发展。
