Characterization of seed physical properties of bean genotypes by multivariate statistical methods

Year 2023, Volume: 60 Issue: 3 - Journal of Agriculture Faculty of Ege University Volume: 60 Issue: 3, 451 - 464, 13.10.2023

Ruziye Karaman

https://doi.org/10.20289/zfdergi.1258084

Abstract

Objective: The physical characteristics of seeds are of great importance in harvesting, threshing, processing, classification and storage of seeds. For this reason, the aim of this study was to characterize the bean genotypes of different sizes and colors by using physical properties with multivariate statistical methods.
Material and Methods: The study was carried out in the laboratories of Field Crops Department, Agriculture Faculty, Isparta University of Applied Science in 2021. In the study, the physical properties of seeds such as length, width, thickness, aspect ratio, brightness (L*) value, arithmetic mean diameter, geometric mean diameter, kurtosis, sphericity, volume, bulk volume weight, true volume weight, porosity, and surface area were analyzed. It was determined by correlation, principal component analyses and cluster heat maps in accordance with the data obtained in the study.
Results: As a result of the study, the G10 genotype obtained from Bolu, which has white seed color in terms of physical properties, came to the fore. As a result of correlation analysis, it was determined that there was a positive relationship between seed length, width and thickness, arithmetic mean diameter, geometric mean diameter, and seed volume. As a result of PCA, 3 independent principal component axes were obtained for traits. Obtained axes accounted for 91.7% of the cumulative variation. According to the clustering analysis, the genotypes were divided into four groups and the traits were divided into three groups.
Conclusion: The traits determined as a result of these multivariate analyses are thought to be of practical benefit to breeders on bean genetic materials.

Keywords

Bean, characterization, correlation analyze, cluster heat map, PCA

Fasulye genotiplerinde çok değişkenli istatistiksel yöntemler ile tohum fiziksel özelliklerinin karakterizasyonu

Abstract

Amaç: Tohumların hasat, harman, işlenmesi, sınıflandırılması ve depolanmasında tohumun fiziksel özellikleri büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle çalışmada farklı büyüklük ve renkteki fasulye genotiplerinin fiziksel özellikleri kullanılarak çok değişkenli istatistik yöntemleri ile karakterizasyonun yapılması amaçlanmıştır.
Materyal ve Yöntem: Çalışma Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarla Bitkileri bölümü laboratuvarlarında 2021 yılında kurulmuştur. Araştırmada fiziksel özellik olarak tohumların uzunluğu, genişliği, kalınlığı, en-boy oranı, parlaklık (L*) değeri, aritmetik ortalama çapı, geometrik ortalama çapı, basıklığı, küreselliği, tohum hacmi, yığın hacim ağırlığı, gerçek hacim ağırlığı, porozite ve yüzey alanı özellikleri incelenmiştir. Çalışmada elde edilen veriler doğrultusunda korelasyon, temel bileşen analizi ve kümeleme ısı haritaları belirlenmiştir.
Araştırma Bulguları: Çalışma sonucunda fiziksel özellikler yönünden genel olarak Bolu’dan temin edilen G10 genotipi ön plana çıkmıştır. Korelasyon analizi sonucu genel olarak tohum uzunluğu, genişliği ve kalınlığı, aritmetik ortalama çap, geometrik ortalama çap ve tohum hacmi özellikleri arasında pozitif ilişki olduğu belirlenmiştir. TBA sonucunda incelenen özellikler ile ilgili olarak birbirinden bağımsız 3 tane temel bileşen ekseni elde edilmiştir. Elde edilen eksenlerin toplam varyasyonun %91.7’sini oluşturmaktadır. Kümeleme analizine göre ise, genotipler dört gruba, incelenen özellikler ise üç gruba ayrılmıştır.
Sonuç: Yapılan bu çok değişkenli analizlerin sonucunda belirlenen özelliklerin fasulye genetik materyalleri üzerine ıslahçılara pratik anlamda fayda sağlayacağı düşünülmektedir.

Keywords

Fasulye, karakterizasyon, korelasyon analizi, kümeleme ısı haritası, temel bileşen analizi

References

• Abdi, H. & L.J. Williams, 2010. Principal component analysis. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 2: 433-459.
• Adu, M.O., P.A. Asare, E. Asare-Bediako, G. Amenorpe, F.K. Ackah, E. Afutu & D.O. Yawson, 2018. Characterising shoot and root system trait variability and contribution to genotypic variability in juvenile cassava (Manihot esculenta Crantz) plants. Heliyon, 4: 1-28.
• Ahmad, H.M., S.I. Awan, O. Aziz & M.A. Ali, 2014. Multivariative analysis of some metric traits in bread wheat (Triticum aestivum L.). European Journal of Biotechnology and Bioscience, 1 (4): 22-26.
• Alibas, I. & N. Koksal, 2015. The effect of moisture content on physical, mechanical and rheological properties of soybean (Glycine max cv. ATAEM-II) seed. Legume Research-An International Journal, 38 (3): 324-333.
• Alpar, R., 2017. Uygulamalı Çok Değişkenli İstatistiksel Yöntemler. Detay Yayıncılık, Ankara, 820 pp.
• Aparicio-Fernandez, X., G. G. Yousef, G. Loarca-Pina, E. De Mejia & M. A. Lila, 2005. Characterization of polyphenolics in the seed coat of Black Jamapa bean (Phaseolus vulgaris L.). Journal of Agricultural and Food chemistry, 53(11): 4615-4622.
• Barua, H., S.R. Saha, N.A. Ivy, G. Rasul & A.A. Islam, 2022. Genetic divergence of guava (Psidium guajava L.) genotypes in Bangladesh: Guava Genotypes in Bangladesh. SAARC Journal of Agriculture, 20 (1): 15-28.
• Baryeh, E.A. & B.K. Mangope, 2002. Some physical properties of QP-38 variety pigeon pea. Journal of Food Engineering, 56: 341-347.
• Berber, S., 2007. Aspir (Carthamus tinctorius L.) Tohumlarının Aerodinamik Özelliklerinin Belirlenmesi Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (Basılamamış) Yüksek Lisans Tezi, Tokat, 57 s.
• Bıyıklı, B., E. Elkoca & M. Aydın, 2015. İspir kuru fasulye (Phaseolus vulgaris L.) popülasyonunun karakterizasyonu ve seleksiyon yoluyla ıslahı. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 36 (1): 20-33.
• Bozoğlu, H. & O. Sözen, 2011. A sample for biodiversity in Turkey: Common bean (Phaseolus vulgaris L.) landraces from Artvin. African Journal of Biotechnology, 10 (63): 13789-13796.
• Cartea, M.E., A. Picoagea, P. Soengas & A. Ordás, 2002. Morphological characterization of kale populations from Northwestern Spain. Euphytica 129: 25-32.
• Ceyhan, E., M. Önder & A. Karaman, 2009. Fasulye genotiplerinin bazı tarımsal özelliklerinin belirlenmesi. Selcuk Journal of Agriculture and Food Sciences, 23 (49): 67-73.
• Çancı, H., M. Bozkurt, F. Kantar, M.Z. Yeken, G. Özer & V. Çiftçi, 2019. Batı Anadolu fasulye genetik kaynaklarının biyolojik çeşitliliğinin araştırılması ve karakterizasyonu. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Tarım ve Doğa Dergisi, 22 (Ö.S.- 2): 251-263.
• Çekim, İ. & C. Özarslan, 2020. Marul tohumunun bazı fiziko-mekanik özelliklerinin belirlenmesi. ÇOMÜ Ziraat Fakültesi Dergisi, 8 (1): 89-97.
• Çetin, M., 2007. Physical properties of barbunia bean (Phaseolus vulgaris L. cv.‘Barbunia’) seed. Journal of Food Engineering, 80 (1): 353-358.
• Dahiya, P.K., A.R. Linnemann, M.A.J.S. Van Boekel, N. Khetarpaul, R.B., Grewal & M.J.R. Nout, 2015. Mung bean: Technological and nutritional potential. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 55 (5): 670-688.
• Dash, A.K., R.C. Pradhan, L.M. Das & S.N. Naik, 2008. Some physical properties of simarouba fruit and kernel. International Agrophysics. 22: 111-116.
• De Oliveira, J.A.V., P.C. Coradi, C.Z. Alves, P.E. Teodoro & R.D.C.F. Alvarez, 2021. Correlation of physical properties for establishments of standardized groups of soybean seed technologies in post-harvest. Journal of Stored Products Research, 93: 101854.
• Dias, P.M.B., B. Julier, J.P. Sampoux, P. Barre & M. Dall’Agnol, 2007. Genetic diversity in red clover (Trifolium pratense L.) revealed by morphological and microsatellite (SSR) markers. Euphytica, 160 (2): 189-205.
• Dumanoğlu, Z. & B. Çakmak, 2019a. Tohum uygulamalarının İzmir kekiği (Origanum onites L.) tohumları üzerindeki bazı fiziksel ve fizyolojik etkilerinin incelenmesi. Erasmus International Academic Research Symposium in Science, Engineering and Architecture, Izmir.
• Dumanoğlu, Z. & B. Çakmak, 2019b. Tohum uygulamalarının soğan (Allium cepa L.) tohumunun bazı fiziksel ve mekanik özelliklerine etkisi. Bursa Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 33(1), 53-66.
• Dumanoğlu, Z., Ş.S. Özkan & G. D. Topçu, 2019. İtalyan çimi (Lolium multiflorum L.) çeşitlerine ait tohumların bazı fiziksel özelliklerinin belirlenmesi. Uluslararası Tarım ve Yaban Hayatı Bilimleri Dergisi, 5 (2): 292-298.
• Dunteman, G.H., 1989. Principal components analysis (No. 69). (Web Sayfası: https://books.google.com.tr/books?id=Pzwt-CMMt4UC&printsec=frontcover&dq=Dunteman,+G.H.+1989.&hl=tr&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=Dunteman%2C%20G.H.%201989.&f=false) (Erişim Tarihi: Ocak 2023).
• Elkoca, E., K. Haliloglu, F. Kantar, C. Eken, F. Donmez & M. Aydin, 2010. “Genetic diversity of common beans (Phaseolus vulgaris L.) grown in the northeast region of Turkey based on morphological traits, 36”. 5th International Food Legumes Research Conference (IFLRC V) & 7th European Conference on Grain Legumes (AEP VII), Legumes for Global Health, Legume Crops and Products for Food, Feed and Environmental Benefits, Scientific Books, (26-30 April, 2010), Antalya, Turkey,
• Erbaş, D. & M.A. Koyuncu, 2016. 1-Metilsiklopropen uygulamasının Angeleno erik çeşidinin depolanma süresi ve kalitesi üzerine etkileri. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 53 (1): 43-50.
• Kahraman, A., M. Önder & E. Ceyhan, 2014. Cluster analysis in common bean genotypes (Phaseolus vulgaris L.). Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 1 (Özel Sayı-1): 1030-1035.
• Kara, B., & Z. Akman, 2007. Farklı tane iriliği ve ekim derinliklerinin buğday (Triticum aestivum L.)’ın kök ve toprak üstü organlarının ilk gelişmesine etkisi. Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 20(2): 193-202.
• Kara, M., B. Sayinci, E. Elkoca, İ. Öztürk & T. Özmen, 2013. Seed size and shape analysis of registered common bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivars in Turkey using digital photography. Journal of Agricultural Sciences, 19 (3): 219-234.
• Karaj, S. & J. Müller, 2010. Determination of physical, mechanical and chemical properties of seeds and kernels of Jatropha curcas L. Industrial Crops and Products, 32: 129-138.
• Karaman, R. & C. Türkay, 2022. Türkiye’deki maş fasulyesi [Vigna radiata (L.) Wilczek] genotiplerinin çıkış ve fide özellikleri yönünden karakterizasyonu. Mustafa Kemal Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi, 27 (3): 434-444.
• Kassambara, A., 2017. Practical Guide to Principal Component Methods in R: PCA, M (CA), FAMD, MFA, HCPC, Factoextra Vol. 2. Cilt, 152 pp.
• Kellom, M. & J. Raymond, 2016. Using dendritic heat maps to simultaneously display genotype divergence with phenotype divergence. PloS one, 11 (8): e0161292.
• Kendal, E., S. Tekdal, H. Aktaş, M. Karaman, K. Berekatoğlu & H. Doğan, 2014. Biplot analizi kullanılarak yazlık arpa genotiplerinin verim ve verim unsurlarının belirlenmesi. Trakya University Journal of Natural Sciences, 15 (2): 95-103.
• Kobuk, M., K. Ekinci & S. Erbaş, 2019. Aspir (Carthamus tinctorius L.) genotiplerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Tarım ve Doğa Dergisi, 22 (1): 89-96.
• Madakbaş, S.Y. & M. Ergin, 2011. Morphological and phenological characterization of Turkish bean (Phaseolus vulgaris L.) genotypes and their present variation states. African Journal of Agricultural Research, 6 (28): 6155-6166.
• Mohammadi, S.A. & B.M. Prasanna, 2003. Analysis of genetic diversity in crop plants-salient statistical tools and considerations. Crop Science, 43: 1235-1248
• Mohsenin, N.N., 1970. Physical Properties of Plant and Animal Materials, 2nd Ed.; Gordon and Breach Science Publishers: New York, 891 pp.
• Mohsenin, N.N., 1980. Physical Properties of Plant and Animal Materials. Gordon and Breach Science Publishers, New York, 198-224 pp.
• Mohsenin, N.N., 1986. Physical Properties of Plant and Animal Materials. Structure, Physical Characteristics and Mechanical Properties. 2. Aufl. 891 Seiten, zahlr. Abb. und Tab. Gordon and Breach Science Publishers, New York, 702 pp.
• Omobuwajo, T.O., E.A. Akande & L.A. Sanni, 1999. Selected physical, mechanical and aerodynamic properties of African breadfruit (Treculia africana) seeds. Journal of Food Engineering. 40 (4): 241-244.
• Öten, M., S. Albayrak, S. Kiremitci & M. Türk, 2018. Determination of yield and quality parameters of some Alfalfa genotypes in the Mediterranean Region of Turkey. Fresenius Environment Bulletin, 27 (11): 7627-7633.
• Öz, A., H. Kapar & A. Üstün, 2003. Türkiye’de üretimi yapılan bazı mısır çeşitlerinin diskriminant ve cluster analizleri ile farklılıklarının belirlenmesi. Gaziosmanpaşa Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 20 (2): 115-121.
• Özlü, R.R. & M. Güner, 2016. Farklı nem düzeylerinde kanola tohumlarının fiziksel özelliklerinin belirlenmesi. Gaziosmanpaşa Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 33 (Ek Sayı): 10-24.
• Öztürk, H.I., 2018. Erzincan İlinde Yaygın Yetiştiriciliği Yapılan Barbunya Taze Fasulye (Phaseolus vulgaris L.) Genotiplerinin Seleksiyonu, Morfoloji ve Moleküler Karakterizasyonu. Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (Basılmamış) Doktora Tezi, Erzurum, 152 s.
• Rahman, M.S., 2005. Mass-volume-area-related properties of foods. Engineering Properties of Foods, 3: 1-40.
• Sardana, S., R.K. Mahajan, N.K. Gautam & B. Ram, 2007. Genetic variability in pea (Pisum sativum L.) germplasm for utilization. SABRAO Journal of Breeding and Genetics, 39 (1): 31-41.
• Singh, S.P., P. Gepts & D.G. Debouck, 1991. Races of common bean (Phaseolus vulgaris, Fabaceae). Economic Botany, 45 (3): 379-396.
• Sivakumar, J., J.E.P. Prashanth, N. Rajesh, S.M. Reddy & O.B. Pinjari, 2020. Principal component analysis approach for comprehensive screening of salt stress-tolerant tomato germplasm at the seedling stage. Journal of Biosciences, 45 (1): 1-11.
• Soydaş, V., M. Aydın, E. Elkoca & E. İlhan, 2021. Gümüşhane ili yerel fasulye genotiplerinin morfolojik ve tarımsal özellikler yönünden karakterizasyonu üzerine bir ön çalışma. Anadolu Ege Tarımsal Araştırma Enstitüsü Dergisi, 31 (2): 143-160.
• Sözen, Ö. 2006. Artvin İli Yerel Taze Fasulye (Phaseolus vulgaris L.) Populasyonlarının Toplanması, Tanımlanması ve Morfolojik Varyabilitenin Belirlenmesi. Ondokuz Mayıs Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Samsun, 449 s.
• Sözen, Ö., H. Özçelik & H. Bozoğlu, 2014a. Doğu Karadeniz Bölgesi yerel fasulye (Phaseolus vulgaris L.) populasyonlarının karakterizasyonu ve morfolojik değişkenliğin ortaya konulması. Biyoloji Bilimleri Araştırma Dergisi, 7 (1): 29-36.
• Sözen, Ö., H. Özçelik & H. Bozoğlu, 2014b. Orta Karadeniz Bölgesi’nden toplanan yerel kuru fasulye (Phaseolus vulgaris L.) genotiplerinde morfolojik varyabilitenin istatistiksel analizi. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 1 (1): 34-41.
• Tan, Ş., 2005. Bitki Islahında İstatistik ve Genetik Metotlar. Ege Tarımsal Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü Yayın No: 121, Menemen, İzmir, 129-145 s.
• Uebersax, M.A., C. Urrea & M. Siddiq, 2022. Physical and physiological characteristics and market classes of common beans. dry beans and pulses: Production, Processing, and Nutrition, ‘Overview, Production and Postharvest Technologies’ 3rd section, 57-80.
• Ülker, M. & E. Ceyhan, 2008. Orta Anadolu ekolojik şartlarında yetiştirilen fasulye (Phaseolus vulgaris L.) genotiplerinin bazı tarımsal özelliklerinin belirlenmesi, Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 22 (46): 77-89.
• Ünal, H., E. Isık, N. Izli & Y. Tekin, 2008. Geometric and mechanical properties of mung bean (Vigna radiata L.) grain: Effect of moisture. International Journal of Food Properties, 11 (3): 585-599.
• Wani, I.A., D.S. Sogi, A.A. Wani & B.S. Gill, 2017. Physical and cooking characteristics of some Indian kidney bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivars. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 16 (1): 7-15.
• Wilkinson, L. & M. Friendly, 2009. The history of the cluster heat map. The American Statistician, 63 (2): 179-184.
• Yeken, M. Z., V. Çiftçi, H. Çancı, G. Özer & F. Kantar, 2019. Türkiye’nin Batı Anadolu Bölgesi’nden toplanan yerel fasulye genotiplerinin morfolojik karakterizasyonu. Uluslararası Tarım ve Yaban Hayatı Bilimleri Dergisi, 5 (1): 124-139.