CC BY
82
УДК 582.711+575.858
Е.П. Храмова, О.В. Тарасов, Л.К. Трубина
Центральный сибирский ботанический сад СО РАН, Новосибирск ФГУП ПО «Маяк», Озерск Челябинской обл.
Сибирская государственная геодезическая академия, Новосибирск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ В БОТАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
E.P. Khramova, O.V. Tarasov, L.K. Trubina Central Siberian Botanical Garden SB RAS, Novosibirsk Federal State Unitary Enterprise «Mayak» PA, Ozersk Siberian State Academy of Geodesy ME RF, Novosibirsk
THE METHOD OF COMPUTER ANALYSIS OF MAGNIFIED IMAGES FOR BOTANICAL INVESTIGATION
The method of computer analysis of magnified images was used to measure a leaf plate of the plants Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz (bush cinquefoil) in conditions of man-caused radionuclide contamination. We have established a reduction of leaf surface, a decrease in the growth of yearly leaf sprouts and cuttings in length, and an increase in the number of leaves on a sprout. In this case, as radiation increases by most criteria, distinctions from control tests also increase.
Появление новых методических подходов в изучении растений существенно расширили и видоизменили решаемые морфологические, биохимические и экологические задачи. Помимо традиционно используемых в ботанических исследованиях методов возможно применение метода компьютерного анализа изображений. Особенностью данного метода является использование цифрового изображения для измерения метрических параметров свежесобранного растительного материала, в том числе и без отделения от организма, что исключает его искажение при высушивании; высокую точность измерений; а также сохранение материала в цифровом виде.
Метод компьютерного анализа изображений был использован нами при изучении влияния радиационного воздействия на морфологические параметры листа.
Известно, что в результате радиационной аварии на Южном Урале (ПО «Маяк») в 1957г. сформировался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС), который уже 50 лет является уникальным полигоном для проведения экспериментальных работ в природе. Представляло интерес исследовать биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации у растений.
В качестве модельного объекта выбран Pentaphylloides fruticosa (L.) O.Schwarz - пятилистник кустарниковый или курильский чай кустарниковый из сем. Rosaceae. Растение представляет собой сильноветвистый кустарник до 1.5 м высотой с непарноперистыми листьями и золотисто-желтыми крупными цветками, собранными обычно
на концах побегов. Вид широко распространен в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, проникает в Северную Америку, изредка встречается в Западной Европе, на Кавказе, Урале [1, 2].
Цель нашей работы заключалась в выявлении изменений морфологических параметров у пятилистника кустарникового в условиях радиационного воздействия.
Объектами изучения были четырехлетние растения пятилистника кустарникового, высаженные саженцами в 2004 г. в головной части ВУРСа на 2-х участках с разным уровнем загрязнения радионуклидами (опыт) и на фоновом участке вне зоны загрязнения (контроль). Саженцы выращены на экспериментальном интродукционном участке Горно-Алтайского филиала Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (АФ ЦСБС СО РАН, с.Камлак) из семян, собранных в природной ценопопуляции в окр. с. Бичикту-Бом Онгудайского района в Центральном Алтае.
Участок № 1 находится в головной части ВУРСа в 6 км от места взрыва в 1957 году емкости с радиоактивными отходами на оси следа в районе старой дороги с деревянным покрытием - «Лежневки». Расположен на большой осветленной поляне в разреженном березняке паркового типа с редкой примесью сосны на серой лесной почве. Подлесок редкий, в основном, из шиповника. Средняя плотность загрязнения по 90Sr на время исследований составляла 35-39 МБк/м2, по 137Cs - 2.2-2.4 МБк/м2, по Ри до 96
л
кБк/м . Гамма-фон на уровне почвы равен 310 ± 80 мкР/ч, плотность Р-
'у
излучения на поверхности почвы достигает 2180+150 (3-частиц/мин.см .
Участок 2 расположен на южном берегу оз. Бердениш на выщелоченных черноземных почвах на территории эвакуированной деревни. Плотность
QO 9 1"37
загрязнения по Sr во время исследований составляла 15-20 МБк/м , по Cs - 0.5-0.6 МБк/м2, по Ри до 27 кБк/м2. Уровень гамма-фона на поверхности
л
почвы равен 126±29 мкР/ч, плотность Р-потока - 819±268 частиц/мин.см .
Плотность загрязнения 90 Sr контрольного участка, выбранного за пре -делами ВУРСа, составляла 0.01-0.04 МБк/м2, 137Cs - 4-5 кБк/м2. Уровень гамма-фона на поверхности почвы равен 7-11 мкР/ч, плотность Р-потока -
л
5-10 частиц/мин.см .
Участки имеют сходный геоботанический состав растительности.
Для измерения морфометрических параметров брали среднюю пробу с 50-ти особей с каждого участка в фазе плодоношения (сентябрь 2006 г.).
Для промера морфологических параметров был применен метод компьютерного анализа изображений. Для измерения метрических параметров листа проводили съемку цифровой камерой в режиме «макро» с последующей обработкой снимков и интерпретацией результатов средствами геоинформационных технологий и электронных таблиц, используя пакеты прикладных программ «MapInfo» и «Excel 7.0». Исходное изображение сначала преобразовывали в декартову систему координат, затем проводили векторизацию растровых изображений с последующим
вычислением морфометрических характеристик листовой пластинки - длины, ширины, площади, периметра [3].
Метрические признаки листовых пластинок измеряли в следующей последовательности: Хі - длина черешка листа; Х2 - длина листовой пластинки; Х3 - ширина листовой пластинки; Х4 - ширина конечной доли; Х5 - длина конечной доли (рис. 1).
Измеряли длину каждого годичного побега и подсчитывали количество листьев на нем.
Рис. 1. Порядок измерения листьев Pentaphylloides_/гиИсо8а, где Х1 - длина черешка листа; Х2 - длина листовой пластинки; Х3 - ширина листовойпластинки; Х4 - ширина конечной доли; Х5 - длина конечной доли
Анализ морфологических признаков пятилистника кустарникового, выращенного в условиях разного радионуклидного загрязнения и контроля, показал, что радиационное воздействие вызвало уменьшение фотосинтезирующей поверхности, снижение прироста годичного побега и черешка листа в длину, причем с увеличением облучения по большинству критериев различия по сравнению с контролем увеличивались (рис. 2, табл. 1).
Это связано, скорее всего, с подавлением ростовых процессов и апикального доминирования у побегов, что находит подтверждение в литературных данных [4-6].
Рис. 2. Листья Pentaphylloides/гиИсо8а из разных участков ВУРСаи контроля: А - контроль, Б - участок 1, В - участок 2
В то же время отмечено, что количество листьев на годичном побеге больше у растений, произрастающих на загрязненных участках, по сравнению с контролем, наибольшее их число зафиксировано у растений на участке 1. По-видимому, у этих растений наблюдалась ростовая компенсация за счет увеличения числа листьев на годичном побеге.
Сравнительный анализ формы листа у пятилистника кустарникового из разных по уровню загрязнения участков зоны ВУРСа не выявил существенных различий (рис. 2). Так, значения отношений (длина листа / ширина листа и длина конечной доли / ширина конечной доли) у растений постоянна вне зависимости от уровня загрязнения радионуклидами и равняется 0.7 и 3 соответственно.
Таблица 1. Морфометрические показатели листа пятилистника кустарникового из разных по уровню загрязнения участков
Морфометрические параметры Контроль Участки зоны ВУРСа
2 1
Площадь листа, мм2 630±204* 314±151 260±130
Периметр листа, мм 282±57 172±49 155±43
Длина листа, мм (Х2) 30±6 21±5 19±4
Ширина листа, мм (Х3) 40±6 29±7 25±6
Площадь конечной доли, мм2 97±46 62±29 47±25
Периметр конечной доли, мм 47±11 36±8 32±8
Длина конечной доли, мм (Х4) 22±5 16±3 15±4
Ширина конечной доли, мм (Х5) 6.6±1.7 5.7±1.7 4.7±1.3
Длина черешка, мм (Х1) 12±3 10±4 8±3
Длина побега, мм 164±51 136±43 142±37
Количество листьев, шт. 10.6±2,9 11.1±3,8 11.7±2,8
Длина листа/ширина листа 0.7 0.7 0.7
Длина конечной доли/ ширина конечной доли 3 3 3
* среднее значение ± стандартное отклонение
В результате проведенного исследования экспериментально показано, что при воздействии радиации на растения пятилистника кустарникового наблюдаются изменения морфологических параметров. Обнаружено уменьшение листовой поверхности, снижение прироста годичного побега и черешка листа в длину, увеличение количества листьев на побеге, причем по большинству критериев с повышением облучения различия по сравнению с контролем становятся более существенными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Флора Сибири. Rosaceae / Под ред. А.В. Положий и Л.И. Малышева. -Новосибирск, 1988. Т. 8.
2. Коропачинский И.Ю., Встовская Т.Н. Древесные растения Азиатской России. -Новосибирск, 2002.
3. Трубина Л.К. Стереомодели в изучении биологических объектов - Новосибирск,
2006.
4. Позолотина В.Н. Отдаленные последствия действия радиации на растения. -Екатеринбург, 2003.
5. Федоров Е.А., Смирнов Е.Г., Гуро Н.В. Накопление стронция-90 кустарниковым ярусом березового леса // В сб.: Экологические последствия радиоактивного загрязнения на Южном Урале. - М.: Наука, 1993, С. 68.
6. Мартюшов В.З., Смирнов Е.Г., Тарасов О.В. и др. Накопление стронция-90 кустарниками на территории Восточно-Уральского государственного заповедника // Вопросы радиационной безопасности, 4(1998)42.
© Е.П. Храмова, О.В. Тарасов, Л.К. Трубина, 2008
