CC BY
101
УДК 528.7:574 Е.И. Дюхина СГГ А, Новосибирск
АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ БОБОВ СОЛОДКИ
Морфология растений изучает строение органов и тканей на всех уровнях от целого растения до клеточных органоидов. Дополнение традиционных методов компьютерными методиками анализа цифровых изображений позволяет расширить набор определяемых характеристик, что важно для систематики растений. При этом анализ стереоскопических моделей позволяет идентифицировать микроструктурные образования на поверхности отдельных конкретных органов растений. Представление коллекционных сборов растений в виде трехмерных моделей улучшает визуальное восприятие, позволяет добиться максимальной наглядности и объективности.
В докладе представлены результаты исследований по применению цифровых изображений для изучения репродуктивных органов (плодов) солодки.
Своеобразие плодов отнесено к существенным признакам, на котором строится определение вида. Так, К. Линней [1] различия в опушении бобов использовал в качестве надежного, хорошо диагностируемого таксономического признака при определении близких видов.
Известно, что плоды в семействе бобовых несут много диагностически-значимых признаков. Это: размеры плода в трех измерениях с указанием формы основания и верхней части; расположение, форма и длина носика; наличие и характер опушения поверхности; толщина швов и наличие на них бороздок; характер поверхности створок; наличие ложных перегородок; характер внутренней поверхности плода и т. д.[2]. Признавая значимость всех перечисленных признаков, целью нашей работы была попытка изучить и показать многообразие микроструктурных образований на поверхности бобов разных видов рода 0!усуггЫ2а [3], идентифицируемых по цифровым изображениям.
В работе были использованы зрелые бобы 20 видов рода 0!усуггЫ2а, собранные в естественных условиях произрастания. Материал был любезно предоставлен к.б.н., с.н.с. лаборатории гербариев ЦСБС СО РАН Гранкиной В.П., за что автор выражает искреннюю благодарность.
Для анализа поверхности плодов солодки применялась методика, основанная на компьютерном анализе цифровых изображений, получаемых цифровой камерой без использования микроскопа, разработанная Трубиной Л.К. [4]. Новизна предлагаемых подходов заключается в применении не только одиночных изображений, но и стереоскопических пар. Формируемые по стереопарам объемные модели обеспечивают трехмерную визуализацию пространственных структур объекта, что облегчает их идентификацию и обеспечивает получение пространственных характеристик формы [4].
Предлагаемая методика включает в себя следующие процессы:
1. Отбор образцов и выбор параметров фотосъемки.
2. Фотографирование цифровой камерой с размещением образцов в тест-объекте.
3. Предварительная обработка изображений для улучшения визуального качества (средствами PhotoShop).
4. Анализ цифровых изображений:
а) Идентификация формы пространственных структур средствами CorelDraw;
б) Определение количественных характеристик изучаемых структур средствами MapInfo.
Подробно содержание процессов описано ниже.
На первом этапе работ были отобраны образцы бобов солодки рода Glycyrrhiza с наиболее распространенными типами поверхностей, присущих разным видам, и выполнена их цифровая съемка. Для облегчения процесса фотографирования применялась специально разработанная установка для фиксирования положения камеры и размещения объектов [4]. Съемка проводилась цифровой камерой класса Sony DSC-F707, в режиме макросъемка, в разных ракурсах с максимально возможным увеличением. При линейных размерах исследуемых образцов от 1см до 3,5 см, увеличение составило 3х^5х. Sony DSC-F707 имеет внушительных размеров вариообъектив фирмы Carl Zeiss. По результатам тестирования данный объектив имеет самые высокие показатели по разрешающей способности среди полупрофессиональных камер. Установленная на камере ПЗС-матрица, имеет очень низкий показатель шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Данной камерой можно производить макросъемку с расстояния 2 сантиметра от объектива, что позволяет снимать довольно мелкие объекты (1,5-2 см) в крупном масштабе, это лучший результат среди цифровых камер [5].
Полученные изображения отображались на экране компьютера и при необходимости подвергались дополнительной обработке средствами программного продукта PhotoShop 7.0 для улучшения визуального качества. Использовались процедуры, обеспечивающие выделение и подчеркивание микроструктур поверхности объектов.
Следующим этапом являлась идентификация форм трихом по изображениям средствами CorelDraw 10. Функциональные возможности этой программы позволяют непосредственно по изображению, причем увеличенному, отобразить конфигурацию формы объекта. Среди многообразия трихом, выявленных по изображениям, выделено несколько типов, встречающихся у солодок, кроме того, у отдельных видов, отмечены сочетания разных типов трихом.
Для определения размеров выделенных трихом использовалась ГИС MapInfo. Последующий геометрический анализ выделенных объектов на основе функциональных возможностей ГИС позволяет вычислить количественные характеристики, в нашем случае это - площадь, периметр железок и высота ножек. Для определения густоты размещения микроструктур на изображение объекта наносилась сетка заданного размера,
и подсчитывалось количество выростов на один элемент сетки. Полученные характеристики фиксировались в таблицах, которые экспортировались в Excel, для определения средних значений характеристик на всей поверхности плода.
В итоге, получено и обработано пятьдесят цифровых снимков с изображениями плодов разных видов солодки. При визуальном анализе стереоскопических изображений бобов солодок (рис. 1) выделили 3 типа поверхностей:
- Однородная, представленная выростами, отнесенным к одному типу.
Примеры этого у разных видов: железистая, волосистая, покрытая
эмергенцами или голая, т.е. без видимых выростов.
- Комбинированная, т.е. одновременно покрытая выростами, отнесенными к разным типам, или волосками с примесью железок или железкам с примесью волосков, или сидячими железками и эмергенцами, или стебельчатыми железками и эмергенцами и др.
- Неоднородная, когда поверхность верхней и нижней частей боба резко различаются. Примеры: верхняя часть густо покрыта эмергенцами, a нижняя голая или в верхней части боба эмергенцы крупные, крючковидные, а в нижней более мелкие, прямые.
I 2 3
Рис. 1. Разнообразие поверхности бобов у видов рода Glycyrrhiza L.
1 - однородная (G.hirsuta L.); 2 - неоднородная (G. echinata L.); 3 - комбинированная (G.
eurycarpa P.C.Li)
Анализ изображений плодов солодки позволил выявить разнообразие
*
опушения поверхности бобов отдельных видов солодок (рис. 2).
Наши данные по характеристики поверхностей бобов разных видов совпадают с данными, приведенными во «Флоре СССР» [6].
При анализе выявленного нами морфологического разнообразия выростов нам удалось определить типы и подтипы опушения (наличие или отсутствие ножек и железок), определить густоту размещения выростов и их количественные характеристики, такие как площади и периметры железок, высоту ножек (табл.).
*
При описании типов опушения мы руководствовались известным «Атласом по описательной морфологии высших растений» [7], где все разнообразие выростов, признаваемых волосками, подразделяется на несколько, более 30, основных типов. Однако есть другое мнение [8, 9], что выросты подразделяются на трихомы и эмергенцы. При этом в словаре «Биология» [10] трихомы различаются как железистые и нежелезистые. Эту же классификацию использовала Е.В. Байкова [11], изучая морфологию трихом разных органов в роде Salvia L.
1 2 3
4 5 6 7
8 9 10 И
14 15 16
Рис. 2. Разнообразие опушений бобов разных видов солодок рода Glycyrrhiza
L.
1-G. kulabensis T. Masl., 2-G. pallidiflora Maxim., 3-G. achanthocarpa (Lindl.) J. M. Black, 4G. grandiflora Waldst. et Kit., 5-G. korshinskyi Grig., 6-G.hirsuta L., 7-G. viscida Turcz., 8-G.
gobica Grankina, 9-G. soongorica Grankina, 10-G. shiheziensis X.Y. Li, 11-G. eglandulosa X.Y. Li , 12-G. glabra L., 13-G.inflata Batal., 14-G.eurycarpa P.C. Li, 15-G. xanthioides Vass.,
16-G. erythrocarpa Vass.
Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что среди изученных нами солодок, значительную часть составляют виды, опушенные
головчатыми железками. Средне-арифметические показатели густоты
2 2 выростов на единицу площади (1 мм ) варьируют в пределах 0,3 - 5,2 шт/мм .
В таблице приведены данные по площади и периметру железистых трихом
(при подсчете количественных характеристик не учитывались основания
выростов). Площадь определена в пределах 0,007 - 0,085 мм, а периметр от
0,32 до 1,03 мм. На поверхности бобов, покрытых нежелезистыми
трихомами, размеры площадей и периметров не определялись (в таблице это
представлено прочерками). Длина самих ножек варьируют в пределах от 0,67
до 5, 5 мм. Максимальные показатели характерны для эмергенцев - от 1 до 5,5
мм, наименьшие размеры - для трихом, в пределах от 0,67 до 1,3 мм.
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что использование компьютерного анализа при изучении выростов обеспечивает определение количественных характеристик с достаточной точностью. Проведенные исследования показали, что компьютерный анализ цифровых изображений обеспечивает детальное изучение микроструктурных образований на поверхности репродуктивных органов. Показана возможность идентификации на поверхности плодов видов рода Glycyrrhiza различных
структурных образований по цифровым изображениям. Такие сведения могут представлять интерес, как для сравнительной морфологии, так и для таксономии и систематики растений.
Полученные цифровые изображения могут служить базой для дальнейшего анализа и создания электронных коллекций солодок.
Таблица. Характеристика микроструктур у некоторых видов рода Оїусутгкіїа
Ь. (сем. ЕаЬасвав)
Название вида Тип Подтип Число на 1 2 мм Количественные характеристики
S, мм2 P, мм H, мм
1 2 3 4 5 6 7
G.kulabensis ЭМЕРГЕНЦ Ы Ш 0,7 - - 2,651
G.pallidiflora Ш 1,1 - - 2,790
G.acanthocarpa Ш 0,9 - - 4,596
G.echinata Ш 1,1 - - 0,809
G.gobica ТРИХОМЫ Ж 5,1 0,018 0,496 1,139
G.grandiflora Ж 1,2 0,007 0,320 0,964
G.uralensis Ж 1,2 0,052 1,000 0,743
G.soongorica Ж 2,0 0,016 0,476 1,290
G.macrophilla Ж 5,2 0,085 1,033 -
G.korshinskyi Ж 4,8 0,016 0,519 1,039
G.hirsuta Ж 4,0 0,013 0,411 1,033
G.zaissanica В 0,9 - - 0,670
G.shiheziensis В - - - -
G.eglandulosa B - - - -
G.glabra К - - - -
G.inflata К - - - -
G.eurycarpa Я % ^ о Ш+Ж 1,9 0,026 0,585 2,574
G.xanthioides Ш+Ж 1,7 0,044 0,789 5,457
G.erytrocarpa Ш+Ж 3,6 - - 1,043
G.bucharica Ш+Ж 0,3 - - 1,340
где Ш - поверхность покрыта шипами, Ж - железистая поверхность, Ш+Ж -смешанная поверхность, К - кожистая поверхность, В - волосистая; приведены: среднее значение густоты размещения выростов на единицу площади (1 мм ), средние арифметические значения экспериментально измеренных площадей (S), периметров (P) и высоты (H), «-» - характеристики не определялись
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Linnaeus Carl (К. Линней) Species plantarum. - Holmiae, 1753. T. II, 1046.
2. Базилевская Н.А., Ворончихин В.В. Определение по плодам видов рода Glycyrrhiza L. и Meristotropis Fisch. et Mey. флоры СССР. (Методические разработки) // Составление определителей растений по плодам и семенам. - Киев: Наук. думка, 1974, 10
- 28.
3. Гранкина В.П. Новые виды рода Glycyrrhiza L. (Fabaceae) из Центральной Азии // Новости сист. высш. раст. - Л.: Наука, 2001. Т. 33, 145-150.
4. Трубина Л. К. Цифровая фотограмметрическая обработка снимков для получения геопространственных данных при оценке состояния экосистем: Автореф. дис. д-ра тех. н.: 25.00.34. - Защищена 20.12.02. - Новосибирск, 2002, 35.
5. Журнал «Компьютер пресс», февраль 2000\Цифровые фотокамеры.
6. Григорьев Ю.С., Васильченко И.Т. Род Glycyrrhiza L. и Meristotropis Fisch. et Mey. // Флора СССР. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1948. Т. XIII, 240 - 242.
7. Федоров А.А., Кирпичников М.Э., Артюшенко З.Т. Атлас по описательной морфологии высших растений. Лист. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1956, 304.
8. Словарь ботанических терминов / Под. общ. ред. И.А. Дудки. - Киев: Наук. думка, 1984, 308.
9. Ботанико-фармакогностический словарь. Справочное пособие / Блинова К.Ф. и др. Под ред. К.Ф. Блиновой, Г.П. Яковлева. - М.: Высш. шк., 1990, 272 .
10. Биология. Большой энциклопедический словарь. 3-е изд. / Гл. ред. М.С. Гилярев.
- М.: Науч.изд-во «Большая Российская энциклопедия», 2001, 864.
11. Байкова Е.В. Морфология трихом у видов рода Salvia L. (Lamiaceae) // Бюл. Москов. об-ва испытателей природы. Отд. биол., 2001. Т. 106, вып. 4, 58 - 70.
© Е.И. Дюхина, 2005
