Mixed modelling for phenotypic data from plant breeding

Phenotypic selection and genetic studies require an efficient and valid analysis of phenotypic plant breeding data. Therefore, the analysis must take the mating design, the field design and the genetic structure of tested genotypes into account. In Chapter 2 unbalanced multi-environment trials (METs) in maize using a factorial design are analysed. The dataset from 30 years is subdivided in periods of up to three years. Variance component estimates for general and specific combining ability are calculated for each period. While mean grain yield increased with ongoing inter-pool selection, no changes for the mean of dry matter yield or for variance component estimate ratios were found. The continuous preponderance of general combining ability variance allows a hybrid selection based on general combining effects. The analysis of large datasets is often performed in stage-wise fashion by analysing each trial or location separately and estimating adjusted genotype means per trial or location. These means are then submitted to a mixed model to calculate genotype main effects across trials or locations. Chapter 3 studies the influence of stage-wise analysis on genotype main effect estimates for models which take account of the typical genetic structure of genotype effects within plant breeding data. For comparison, the genetic effects were assumed both fixed and random. The performance of several weighting methods for the stage-wise analysis are analysed by correlating the two-stage estimates with results of one-stage analysis and by calculating the mean square error (MSE) between both types of estimate. In case of random genetic effects, the genetic structure is modelled in one of three ways, either by using the numerator relationship matrix, a marker-based kinship matrix or by using crossed and nested genetic effects. It was found that stage-wise analysis results in comparable genotype main effect estimates for all weighting methods and for the assumption of random or fixed genetic effect if the model for analysis is valid. In case of choosing invalid models, e.g., if the missing data pattern is informative, both analyses are invalid and the results can differ. Informative missing data pattern can result from ignoring information either used for selecting the analysed genotypes or for selecting the test environments of genotypes, if not all genotypes are tested in all environments. While correlated information from relatives is rarely directly used for analysis of plant breeding data, it is often used implicitly by the breeder for selection decisions, e.g. by looking at the performance of a genotype and the average performance of the underlying cross. Chapter 4 proposed a model with a joint variance-covariance structure for related genotypes in analysis of diallels. This model is compared to other diallel models based on assumptions regarding the inheritance of several independent genes, i.e. on genetic models with more restrictive assumptions on the relationship between relatives. The proposed diallel model using a joint variance-covariance structure for parents and parental effects in crosses is shown to be a general model subsuming other more specialized diallel models, as these latter models can be obtained from the general model by adding restrictions on the variance-covariance structure. If no a priori information about the genetic model is available the proposed general model can outperform the more restrictive models. Using restrictive models can result in biased variance component estimates, if restrictions are not fulfilled by the data analysed. Chapter 5 evaluates, whether a subdivision of 21 triticale genotypes into heterotic pools is preferable. Subdividing genotypes into heterotic pools implies a factorial mating design between heterotic pools and a diallel mating design within each heterotic pool. For two (or more) heterotic pools the model is extended by assuming a joint variance-covariance structure for parental effects and general combing ability effects within the diallel and within the factorials. It is shown that a model with two heterotic pools has the best model fit. The variance component estimates for the general combing ability decrease within the heterotic pools and increase between heterotic pools. The results in Chapter 2 to 5 show, that an efficient and valid analysis of phenotypic plant breeding data is an essential part of the plant breeding process. The analysis can be performed in one or two stages. The used mixed models recognizing the field and mating design and the genetic structure can be used for answering questions about the genetic variance in cultivar populations under selection and of the number of heterotic pools. The proposed general diallel model using a joint variance-covariance structure between related effects can further be modified for factorials and other mating designs with related genotypes.Eine effiziente Auswertung von Pflanzenzüchtungsdaten wird für phänotypische Selektion einerseits und genetische Studien anderseits benötigt. Dabei muss das Versuchs- und Kreuzungsdesign sowie die genetische Struktur der zu testenden Genotypen berücksichtigt werden. In Kapitel 2 wird ein 30-jähriger Maisdatensatz mit faktoriellem Kreuzungsdesign ausgewertet. Der Datensatz wird in Perioden unterteilt und für diese Gesamtmittelwerte sowie Varianzkomponenten für generelle und spezifische Kombinationseignung (g.c.a. und s.c.a.) ermittelt. Diese Schätzwerte werden dann zwischen den Perioden verglichen. Während der Kornertrag mit der Zeit zunimmt, kann für die Trockensubstanzmenge und das Verhältnis der Varianzkomponenten keine Veränderung nachgewiesen werden. Der hohe Anteil der g.c.a.-Varianz an der gesamten genetischen Varianz erlaubt eine Hybridselektion aufgrund der g.c.a. Bei großen Datensätzen erfolgt die Auswertung oft zweistufig. Zunächst werden Mittelwerte pro Versuch oder Ort geschätzt. Anschließend werden diese in einer Serienauswertung verwendet, um Gesamtmittelwerte zu erhalten. Kapitel 3 untersucht den Einfluss einer zweistufigen Auswertung auf genotypische Gesamtmittelwerte unter Berücksichtigung der für Pflanzenzüchtungsdaten typischen Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Genotypen. Es werden Zweischrittauswertungen mit verschiedenen Gewichtungsmethoden im zweiten Schritt mit einer Einschrittauswertung verglichen. Die genetischen Effekte werden als zufällig angenommen, wobei zur Integration der Verwandtschaftsinformation der Genotypen drei Verfahren verwendet werden: Eine abstammungsbasierte Ähnlichkeitsmatrix, eine markerbasierte Ähnlichkeitsmatrix oder ein Modell mit geschachtelten und gekreuzten genetischen Effekten. Zum Vergleich werden die Datensätze auch mit festen genetischen Effekten ausgewertet. Als Gütekriterium werden die Korrelation der Gesamtmittelwertschätzungen zu denen der Einschrittauswertung sowie der mittlere quadratische Fehler (MSE) zwischen beiden bestimmt. Es ergeben sich vergleichbare Mittelwertschätzwerte für alle Gewichtungsmethoden. Im Fall von nicht zulässigen Modellen, beispielsweise wenn das Fehlmuster der Daten nicht zufällig ist, ergeben sich Unterschiede zwischen Ein- und Zweischrittauswertung. Beide Auswertungen sind dann unzulässig. Informative Fehlmuster können durch fehlende Verwandtschaftsinformation entstehen, wenn diese zur Selektion der geprüften Genotypen oder Genotyp-Umwelt-Kombinationen genutzt wurde. Während Verwandteninformationen für die Auswertung von Pflanzenzüchtungsdaten selten direkt modelliert wird, nutzen Züchter diese oft implizit. So wird zur Leistungsbewertung eines Genotypen oft auch die Eignung der gesamten Kreuzung betrachtet. Kapitel 4 schlägt für die Auswertung von Diallelen ein Modell vor, das eine gemeinsame Varianz-Kovarianzmatrix für alle korrelierten genetischen Effekte verwendet. Es wird eine Korrelation zwischen dem Elterneffekt und dem g.c.a.-Effekt des selben Elters modelliert. Dieses Model wird verglichen mit anderen Diallelmodellen, die auf der Vererbung vieler unabhängiger Gene und somit auf restriktiveren Annahmen bezüglich der Varianz-Kovarianzmatrix basieren. Durch Hinzufügen dieser Restriktionen in der Varianz-Kovarianzmatrix des vorgeschlagenen Modells lassen sich diese Modelle vom vorgeschlagene Modell ableiten. Abweichungen von restriktiveren Varianz-Kovarianzstrukturen können zu verzerrten Varianzkomponentenschätzungen führen. Fehlen Vorabinformationen, dass das wahre Vererbungsmodell durch andere Diallelmodelle besser abgebildet wird, so kann das vorgeschlagene Modell Dialleldaten potentiell besser beschreiben. Kapitel 5 untersucht die Unterteilung von 21 Triticalegenotypen in heterotische Gruppen. Eine Unterteilung impliziert faktorielle Kreuzungsdesigns zwischen und diallele Kreuzungsdesigns innerhalb der heterotischen Gruppen. Für zwei oder mehr heterotische Gruppen wird das Modell aus Kapitel 4 erweitert, in dem eine gemeinsame Varianz-Kovarianzmatrix für den Eltereffekt und die g.c.a.-Effekte des Elters im Diallel und in faktoriellen Designs angenommen wird. Ein Modell mit zwei heterotischen Gruppen zeigt die beste Modellanpassung. Die g.c.a.-Varianz schrumpft innerhalb und erhöht sich zwischen den heterotischen Gruppen. Die Ergebnisse in den Kapiteln 2 bis 5 zeigen, dass eine effiziente und valide Auswertung phänotypischer Pflanzenzüchtungsdaten ein essentieller Teil der Pflanzenzüchtung ist. Die Auswertung kann ein- oder zweistufig erfolgen. Die gemischten Modelle berücksichtigen das Versuchs- und Kreuzungsdesign und können verwendet werden, um Fragen über die Entwicklung genetischer Varianzen in Züchtungspopulationen oder zur optimalen Anzahl heterotischer Gruppen zu beantworten. Das vorgeschlagene Diallelmodell mit einer gemeinsamen Varianz-Kovarianzstruktur für alle korrelierten genetischen Effekte lässt sich für faktorielle Designs und andere Kreuzungsdesigns mit korrelierten Genotypen erweitern

Methoden zur Erzeugung und Charakterisierung von geformten Femtosekunden-UV-Impulsen und deren Anwendung

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden für die Formung und Charakterisierung von Femtosekunden-Impulsen in UV-Bereich und deren Anwendung in der zeitaufgelösten Spektroskopie. Durch Aufbau eines Impulsformers zur direkten Kontrolle von Phasen- und Amplitudenfunktion von UV-Femtosekunden-Impulsen konnte eine vielversprechende Quelle für Spektroskopie und kohärente Kontrolle entwickelt werden. Um den Einsatz geformter Impulse im UV zu unterstützen, wurden drei empfindliche Charakterisierungsmethoden für UV-Impulse im nJ-Bereich entwickelt. Dabei wurde insbesondere auch eine Impulsformer-unterstützte Methode zur referenzfreien Messung der spektralen Phase vorgestellt. Die erfolgreiche Anwendung von Femtosekunden-UV-Impulsen in der zeitaufgelösten Spektroskopie konnte am unsubstituierten Cumarin und dessen Derivat Umbelliferon (7-Hydroxy-Cumarin) demonstriert werden. Basierend auf diesen Daten wurden unter Verwendung globaler Analyseansätze Modellvorstellungen der Relaxationsdynamik in diesen Systemen entwickelt. Eine Zusammenführung von Konzepten der Femtosekunden-Impulsformung und zeitaufgelöster Spektroskopie erfolgte schließlich durch Messungen am doppelten intramolekularen Proton-Transfer von (2,2’-Bipyridyl)-3,3’-Diol oder BP(OH)2. Basierend auf diesen Daten konnten Argumente für einen rein sequentiellen Mechanismus dieser Reaktion entwickelt werden

Generation of phase-controlled ultraviolet pulses and characterization by a simple autocorrelator setup

A versatile femtosecond ultraviolet (UV) pulse generation, a phase modulation, and a characterization setup for coherent control applications are demonstrated. For high-performance phase control of ultrashort pulses direct in the UV a microelectromechanical-system-based 2D mirror array is applied. Multiple examples for successful phase control of ultrashort UV pulses are given, such as arbitrarily phase tailoring and pulse recompression in open and closed loop schemes. For simple and effective characterization of the generated pulses, a UV autocorrelator based on two-photon absorption in a solar blind photomultiplier is constructed. The effects of space-time coupling on split mirror autocorrelation measurements are addressed and minimized. © 2009 Optical Society of America

Absorption and mobility of foliar-applied boron in soybean as affected by plant boron status and application as a polyol complex

In the present study (i) the impact of plant Boron (B) status on foliar B absorption and (ii) the effect of B complexation with polyols (sorbitol or mannitol) on B absorption and translocation was investigated. Soybean (Glycine max (L.) Meer.) plants grown in nutrient solution containing 0 μM, 10 μM, 30 μM or 100 μM 11B labelled boric acid (BA) were treated with 50 mM 10B labelled BA applied to the basal parts of two leaflets of one leaf, either pure or in combination with 500 mM sorbitol or mannitol. After one week, 10B concentrations in different plant parts were determined. In B deficient leaves (0 μM 11B), 10B absorption was significantly lower than in all other treatments (9.7% of the applied dose vs. 26%–32%). The application of BA in combination with polyols increased absorption by 18–25% as compared to pure BA. The absolute amount of applied 10B moving out of the application zone was lowest in plants with 0 μM 11B supply (1.1% of the applied dose) and highest in those grown in 100 μM 11B (2.8%). The presence of sorbitol significantly decreased the share of mobile 10B in relation to the amount absorbed. The results suggest that 11B deficiency reduces the permeability of the leaf surface for BA. The addition of polyols may increase 10B absorption, but did not improve 10B distribution within the plant, which was even hindered when applied a sorbitol complex

Methoden zur Erzeugung und Charakterisierung von geformten Femtosekunden-UV-Impulsen und deren Anwendung

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden für die Formung und Charakterisierung von Femtosekunden-Impulsen in UV-Bereich und deren Anwendung in der zeitaufgelösten Spektroskopie. Durch Aufbau eines Impulsformers zur direkten Kontrolle von Phasen- und Amplitudenfunktion von UV-Femtosekunden-Impulsen konnte eine vielversprechende Quelle für Spektroskopie und kohärente Kontrolle entwickelt werden. Um den Einsatz geformter Impulse im UV zu unterstützen, wurden drei empfindliche Charakterisierungsmethoden für UV-Impulse im nJ-Bereich entwickelt. Dabei wurde insbesondere auch eine Impulsformer-unterstützte Methode zur referenzfreien Messung der spektralen Phase vorgestellt. Die erfolgreiche Anwendung von Femtosekunden-UV-Impulsen in der zeitaufgelösten Spektroskopie konnte am unsubstituierten Cumarin und dessen Derivat Umbelliferon (7-Hydroxy-Cumarin) demonstriert werden. Basierend auf diesen Daten wurden unter Verwendung globaler Analyseansätze Modellvorstellungen der Relaxationsdynamik in diesen Systemen entwickelt. Eine Zusammenführung von Konzepten der Femtosekunden-Impulsformung und zeitaufgelöster Spektroskopie erfolgte schließlich durch Messungen am doppelten intramolekularen Proton-Transfer von (2,2’-Bipyridyl)-3,3’-Diol oder BP(OH)2. Basierend auf diesen Daten konnten Argumente für einen rein sequentiellen Mechanismus dieser Reaktion entwickelt werden

Methods to objectively ensure ergonomic standards in driver cabins

Dieser Beitrag stellt sowohl eine Methode vor, mit der die Gestaltung von Bediensystemen als Teil der kognitiven Ergonomie bewertet werden kann, als auch eine Methode, mit der die Bewegungen des Bedieners und Greifräume als Teil der physischen Ergonomie bewertet werden können. Beide Methoden können bei der Entwicklung einer Fahrerkabine oder zur vergleichenden Analyse angewendet werden. Das Innovative der Methoden ist es einen Bewertungsprozess ohne Probanden zu etablieren, mit dem objektivere und über unterschiedliche Untersuchungen hinweg vergleichbare Ergebn1isse erzielt werden können. Die Methode zur Bewertung von Bediensystemen baut auf den ergonomischen Grundlagen der Erwartungskonformität und Bewegungskompatibilität auf. Das Motion-Capturing-Verfahren zur Analyse von Greifräumen und Bewegungen nutzt die Komfortwinkelvorgaben der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV)

Computing Heritability and Selection Response From Unbalanced Plant Breeding Trials

Heritability is often used by plant breeders and geneticists as a measure of precision of a trial or a series of trials. Its main use is for computing the response to selection. Most formulas proposed for calculating heritability implicitly assume balanced data and independent genotypic effects. Both of these assumptions are often violated in plant breeding trials. This article proposes a simulation-based approach to tackle the problem. The key idea is to directly simulate the quantity of interest, e.g., response to selection, rather than trying to approximate it using some ad hoc measure of heritability. The approach is illustrated by three examples

Decision support and optimization in shutdown and turnaround scheduling

informs doi 10.1287/ijoc.1100.039

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We have augmented it by the last paragraph and the slides presented in Groningen. A full paper will follow, but God knows when... In our paper we present a simulation tool which allows simulation of social processes in a multi-agent system where agents decide according to fuzzy-logic rules. The tool offers a toroidal, but as compared to the famous Sugarscape, continuous world in which — as in Sugarscape — two plant species (spice and sugar) and arbitrarily many agents of different kinds can exist. Agent have needs and can be endowed with various rules and with strategies among which they select actions to meet their needs. The following actions are currently implemented: Agents can • move over a certain distance and in a certain direction, • look around and recognise objects within a certain perimeter, • harvest spice or sugar, • breed, and • trade (exchange spice for sugar and vice-versa with other agents). All these actions can meet one or more (or even none) of the following needs: • a need of movement, • a need of sugar and spice, respectively, • a need of reproduction, • a need of social contact, • a need of knowledge