CC BY
56
УДК 574
Н.В. Власова, Е.И. Дюхина, Л.К. Трубина ЦСБС СО РАН, СГГА, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ БОТАНИЧЕСКИХ ТАКСОНОВ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В условиях ухудшения экологического состояния окружающей среды особое значение приобретают новые методы и средства, обеспечивающие получение объективной информации о различных компонентах природной среды с целью оценки изменения экологических факторов. Негативные воздействия могут проявляться в изменении видового состава, соотношения видов, морфологии отдельных органов у живых организмов, в частности, у растений. Для их идентификации эффективно применение информационных технологий. Для объектов каждого таксономического уровня необходимо получать свои характеристики [1].
В работе исследовались представители семейств Злаки, Бобовые и Гвоздичные. Выбор обусловлен их важным хозяйственным значением в качестве продуктов питания, лекарственных средств и кормовой базы животных. Кроме того, виды этих семейств распространены во всех растительных зонах и поясах Сибири. Общее описание изучаемых объектов приведено в таблице.
Таблица 1. Характеристики и источники данных анализируемых объектов
Таксон Ареал N / М Объект Характеристики
Солодка Европа, Кавказ, Сибирь, Средняя и Центральная Азия 20/50 Плод (боб) Разнообразие формы выростов и их количественные характеристики: площади и периметры их железок, густота размещения на единицу площади, высота ножек
20/41 Гербарий
Тонконог Лесостепная зона от Днепра до Енисея, низкогорья и предгорья Северного Алтая 1/130 Пыльцевые зерна Форма и диаметры зерна, оперкулума и поры, ширина и высота ободка поры, степень зернистости, скульптура поверхности экзины, у пыльников -поверхность тапетума и диаметр орбикул
Остролодка Средняя и Восточная Сибирь, северо-восток Азии и северо-запад Америки * 17/22 Виды Пространственное распространение видов секции ЛгеїоЬіа рода Охуїгорія Взаимосвязь различных видов данной секции
Примечание: N - число изученных видов; М - число проанализированных изображений; * М - число архивных карт.
Особенности объектов каждого таксономического уровня потребовали своих подходов для их анализа.
Для изучения пыльцы растений разработана методика анализа цифровых микроизображений, получаемых с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (рис. 1).
С применением разработанной методики проведено детальное исследование пыльцы вида Тонконог Делявиня, одного из широко распространенных во флоре России злаковых растений, взятых из нескольких пунктов распространения вида.
Проанализировано более сотни микроизображений пыльцевых зерен разных видов рода Тонконог. Дано общее описание пыльцы вида на основе выявленных морфологических признаков каждого пыльцевого зерна.
Разработанная методика по сравнению с существующими ранее обеспечивает расширение набора характеристик об исследуемом объекте и высокую степень детального описания строения пыльцевого зерна за счет обработки изображений с разным увеличением [2].
Рис. 1. Основные процессы получения и обработки микроизображений
Следующая методика позволяет изучать более крупные объекты, например репродуктивные органы растений, такие, как плоды.
Для изучения репродуктивных органов растений предложена методика получения и обработки цифровых изображений в режиме «макросъемка» [3].
По материалам макросъемки выполнен анализ цифровых снимков гербарных образцов и плодов разных видов Солодки. При визуальном анализе стереоскопических пар изображений плодов Солодок исследовались особенности строения трихом на их поверхности, выделены основные типы.
В итоге анализ пятидесяти изображений плодов солодки, полученных при фотосъемке в режиме «макро» показал, что использование компьютерного анализа цифровых макроизображений при изучении выростов обеспечивает получение разнообразной качественной и количественной информации.
Выявленные особенности опушения плодов солодки позволяют проследить их связь с экологическими условиями произрастания [4].
Разработанная методика, позволяет изучать структурные особенности разных органов растений, не только репродуктивных, но и вегетативных. Это было достижимым только с использованием микроскопа, а при макросъемке, которая позволяет получать изображение с увеличением, получение информации о структуре поверхности органов стало более оперативным. Использование стереоизображений позволило идентифицировать те элементы, которые по одиночным не распознаются.
Важным источником данных в целях изучения и систематизации биоразнообразия являются гербарные образцы. Для компьютерного
представления гербариев предлагается методика формирования коллекций образцов растений в виде структуры, включающей набор цифровых изображений масштабного ряда, например, растение целиком - гербарный лист, и далее - отдельно каждый орган растения (стебель, лист, корень). В коллекцию можно включать снимки и стереомодели отдельных органов растения: семени, листа, пыльцы, получаемых цифровой камерой в режиме «макро» и при микросъемке. Для реализации подхода предложена методика формирования электронной коллекции средствами программы Front Page.
Предложенные подходы отличаются новизной именно в комбинации изображений разного масштаба плюс дополнение их стереомоделями. Разработанная методика обеспечивает передачу универсальной информации о конкретном таксоне в наиболее полном объеме. Тем самым на мониторе будет представлена вся информация, которую можно получить непосредственно с оригинала гербарного листа, рассматривая его через световой биологический микроскоп [3].
Важным в изучении биоразнообразия является отслеживание пространственного распространения видов.
С помощью ГИС-технологий систематизированы данные о распространении видового разнообразия секции Arctobia рода Остролодка. Анализировалась территория России и северо-запад Америки.
Результаты анализа представлены в виде различных тематических карт. Определено процентное соотношение перекрывающихся ареалов видов, количество видов на единицу площади и др. [5].
Систематизированные данные о распространении видов позволили провести статистический анализ, который осуществлялся средствами программы Statistica 6.0. Выполнен кластерный анализ. В результате получено иерархическое дерево или дендрограмма (рис. 2).
1,1
1,0
(D
g 0,9 пз
^ 0,8 О
ф пт то 0,7 пз
Ü 0,6 0,5 0,4
Tree Diagram for Variables Single Linkage 1-Pearson r
Рис. 2. Дендрограмма распространения видов секции ЛШвЫа
Использование ГИС позволило обобщить опубликованные сведения о распространении видов. Сделало возможным проведение статистического анализа и наглядную форму представления результатов анализа.
В целом все разработанные методики позволяют системно изучать ботанические таксоны, т.к. для каждого таксономического уровня предложены подходы, позволяющие собирать объективную достоверную информацию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дюхина Е.И. Исследование ботанических таксонов на основе информационных технологий для индикации биоразнообразия: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.36 -«Г еоэкология» / Е.И. Дюхина - Новосибирск, 2006. - 26 с.
2. Дюхина Е.И. Сравнительно-морфологическое исследование пыльцы вида Тонконог Делявиня из разных местонахождений с использованием компьютерных технологий / Е.И. Дюхина, Н.В. Власова // Теорет. и приклад. исследования в ботанике: сб. материалов Междунар. научно-практ. конф. - Белгород: Изд-во ООО ИПЦ «Политерра». - 2005. - С. 12 - 17.
3. Трубина Л.К. Стереомодели в изучении биологических объектов: монография / Л.К. Трубина. - Новосибирск: СГГА, 2006. - 136 с.
4. Дюхина Е.И. Анализ цифровых изображений для изучения микроструктуры поверхности бобов солодки / Е.И. Дюхина // Мониторинг окружающей среды, геоэкология, дистанционные методы зондирования Земли: сб. материалов науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2005». - Новосибирск, 2005. - С. 167 - 172.
5. Власова Н.В. Род Остролодка (Oxytropis, Fabaceae) на северо-востоке Азии / Н.В. Власова, Л.К. Трубина, Е.И. Дюхина // Роль ботан. садов в сохранении биоразнообразия растительного мира Азиатской России: настоящее и будущее: сб. материалов Всерос. конф., посвящ. 60-летию Центрального сиб. ботан. сада. -Новосибирск: Изд-во «Сибтехнорезерв». -2006. - С. 58 - 60.
© Н.В. Власова, Е.И. Дюхина, Л.К. Трубина, 2007
