CC BY
34
ЭНЕРГОЭКОЛОГИЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ УДК 58.087:581.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ РАЗВИТИЯ НА ПРИМЕРЕ ЮВЕНИЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ ОГУРЦА МЕТОДОМ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ СЬЕМКИ
Е.Н. Ракутько, С.А. Ракутько, д-р.техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Для разработки оптимальных технологии выращивания растений необходимо изучение влияния условий окружающей среды на биометрию, отдельные показатели которой являются диагностическими признаками состояния растений. Цель работы - подбор и анализ информации о методах феномики, возможности их применения для определения стабильности развития растений путем высокопроизводительного фенотипирования. Рассмотрено понятие стабильности развития растений как меры благоприятности воздействия факторов окружающей среды. Выявлено, что из всех типов асимметрии именно флуктуирующая асимметрия (ФА) может быть использована для характеристики стабильности развития растений. Изложены результаты патентного поиска способов оценки степени воздействия факторов окружающей среды на стабильность развития растения по ФА. Проведен анализ научной литературы по вопросам оценки фенотипа растений методами фенотипирования. Фенотипирование является технологией феномики растений как научной дисциплины, концентрирующейся на выявлении закономерностей формирования, организации и изменения фенотипа растения во взаимосвязи с влиянием внешних факторов. Прогресс технологий фенотипирования, наблюдаемый в настоящее время, базируется на развитии методов регистрации цифровых изображений, систем компьютерного зрения и машинного обучения. На примере вегетационного индекса ЫВУ1 показано, что спектральные характеристики листьев растений могут быть использованы как источник информации при фенотипировании. Предложен способ определения стабильности развития растения по результатам фенотипирования. Способ основан на оценке флуктуирующей асиметрии вегетационных индексов, вычисляемых для точек поверхности листа, характеризуемых одинаковыми условиями расположения относительно границы его левой и правой половин. Для определения коэфициентов отражения, необходимых для вычисления вегетационных индексов, используют гиперспектральную камеру и процедуру фенотипирования. Предварительная оценка возможности определения стабильности развития растения по результатам фенотипирования показывает реализуемость способа и его практическую применимость.
Ключевые слова: стабильность развития, флуктуирующая асимметрия, билатеральные признаки, биометрия, феномика растений, высокопроизводительное фенотипирование
Для цитирования: Ракутько Е.Н., Ракутько С.А.Определение стабильности развития на примере ювенильных растений огурца методом гиперспектральной сьемки // АгроЭкоИнженерия. 2021. №2 (107). С.45-62
DETERMINING THE PLANT DEVELOPMENTAL STABILITY BY METHODS OF HIGH-
THROUGHPUT PHENOTYPING
E.N. Rakutko, S.A. Rakutko, DSc (Engineering)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
He development of optimal plant growing technologies requires insight into the effect of environmental conditions on plant biometrics, some of which are diagnostic traits of plant status. The study purpose was to acquire and analyse the information on the phenomics methods and their applicability to determine the plant developmental stability by high-throughput phenotyping. The concept of plant developmental stability was considered as a measure of the favourable effect of environmental factors. The fluctuating asymmetry (FA) was found applicable to characterise developmental stability. The article presents the search results of patents associated with the methods to assess the effect of environmental factors on the plant developmental stability by fluctuating asymmetry and the review outcomes of the scientific literature describing the assessment of plant phenotype by phenotyping methods. Phenotyping is a measuring procedure of plant phenomics as a scientific discipline focusing on identifying the patterns of formation, organisation and changes in the plant phenotype concerning the effect of the external factors. The current progress of phenotyping technologies is based on the improvement of methods for registering digital images, computer vision systems and machine learning. The study demonstrated in the example of the NDVI vegetation index that the spectral characteristics of plant leaves could be used as an information source for phenotyping. The study proposed a method for determining plant developmental stability by the results of phenotyping. It is based on the assessment of the fluctuating asymmetry of vegetation indices, calculated for the points on the leaf surface with the same location in respect to the border of the leaf left and right halves. A hyperspectral camera and a phenotyping procedure were used to determine the reflection coefficients required to calculate the vegetation indices. A preliminary assessment of the possibility of determining plant developmental stability based on the results of phenotyping shows the feasibility of the method and its practical applicability.
Keywords: developmental stability, fluctuating asymmetry, bilateral trait, biometrics, plant phenomics, high-throughput phenotyping
For citation: Rakutko E.N., Rakutko S.A. Determining the plant developmental stability by methods of high-throughput phenotyping. AgroEkoInzheneriya 2021. No. 2(107): 45-62 (In Russian)
Введение
Для разработки оптимальных технологии выращивания различных видов и сортов растений (в том числе в искусственных условиях, в светокультуре) необходимо изучение влияния условий окружающей среды на биометрию, отдельные показатели которой являются диагностическими признаками состояния растений [1]. В рамках энергоэкологического подхода оценка доли вклада воздействующих факторов среды выращивания растений в изменчивость биометрических показателей является основой оптимизации энергоэффективности светокультуры и обеспечения ее экологичности [2].
Учитывая приоритетность вопросов сохранения природы и экологической устойчивости, необходимости минимизации затрат энергетических и прочих ресурсов в условиях современного высокоинтенсивного аграрного производства, важным является разработка удобного, точного и быстрого способа оценки степени влияния факторов окружающей среды на растения, методики комплексной оценки их состояния.
Цель работы - подбор и анализ информации о методах феномики, возможности их применения для определения стабильности развития растений путем высокопроизводительного фенотипирования.
Стабильность развития растения как мера благоприятности воздействия факторов окружающей среды
В настоящее время темпы антропогенного влияния на природные комплексы постоянно увеличиваются, что требует разработки способов экологического мониторинга окружающей среды. Данная проблема так же актуальна для искусственных систем выращивания (теплицы, фитофабрики), где
существует потребность в отслеживании физиологического состояния растений. Для адекватного представления о состоянии окружающей среды применяют систему биологической оценки ее качества -биоиндикацию, основанную на учете реакции живых организмов на воздействие внешних факторов. Актуальность применения биоиндикации обусловлена ее простотой, скоростью и дешевизной. Для естественных условий применяют индикаторные растения, которые реагируют на весьма малые отклонения параметров окружающей среды. В искусственных климатических сооружениях такие наблюдения проводят непосредственно над выращиваемыми растениями.
Факторы окружающей среды
(температура, освещенность, влажность и т.д.) оказывают большое влияние на рост и развитие растений. Соответствие уровней факторов требуемым значениям находит отражение в явлении стабильности развития растения. Известным подходом при оценке изменений в растениях вследствие нарушений гомеостаза развития является
морфогенетический, при котором оценивают стабильность индивидуального развития. Стабильность развития представляет собой набор механизмов, которые позволяют обеспечить устойчивое развитие (поддержку фенотипа) живого организма несмотря на изменения условий окружающей среды или генетические отклонения. Стабильность развития является одной из наиболее общих характеристик состояния живого организма и обеспечивается путем генетической коадаптации [3]. Понятие стабильности развития широко используют при характеристике степени благоприятности воздействия факторов окружающей среды на живые организмы.
Известно, что органы растения, которые выглядят вполне симметрично, имеют некоторую асимметрию, отличающуюся не только по величине, но и по типу. Флуктуирующей называют асимметрию, которая характеризуется незначительными ненаправленными отличиями в проявлении билатеральных признаков (БП) на кажущихся симметричными сторонах биологического объекта. В статистическом смысле распределение отличия сторон в этом случае имеет нулевое среднее значение и подчиняется нормальному закону (рис.1, А).
Рис. 1. Статистические характеристики различных типов асимметрии
Это свидетельствует о стохастичном характере явления, т.е. наблюдается случайная изменчивость развития в пределах нормы реакции обьекта. Флуктуирующая асимметрия (ФА) может быть использована как мера стабильности развития. При направленной асимметрии (рис.1, B) наблюдается преобладание выраженности признака на одной из сторон органов растения в выборке, т.е. средняя арифметическая нормального (биномиального) распределения разности сторон не равна нулю. Антисимметрии (рис.1, ^ присуще бимодальное распределение разности сторон или распределение с эксцессом меньше нормального при нулевом среднем значении. В отличие от флуктуирующей, направленная асимметрия и антисимметрия имеют адаптивное значение и наследственно детерминированы [4].
Для повышения репрезентативности получаемой оценки и снижения вероятности
получения ошибочного суждения используют не один, а ряд признаков, измеряемых у выборки исследуемых обьектов [5]. Для определения интегрального показателя ФА производят осреднение найденных значение по числу признаков и количеству обьектов.
Многие исследования подтверждают, что зависимость показателя стабильности развития от уровня факторов внешней среды имеет экстремум. Минимальное значение стабильности соответствует оптимальному уровню воздействующего фактора, который можно принять за норму. Любые отклонения ведут к возрастанию уровня фенотипических отклонений, фиксируемого по увеличению ФА. Ухудшение состояния организма под влиянием отклонения уровня внешних факторов от оптимальных значений сопряжено с нарушением стабильности его развития. Небольшие отклонения не приводят к гибели организма, поэтому стабильность может быть использована как тонкий показатель его состояния.
В качестве билатеральных при расчете величины ФА наиболее часто используют морфологические признаки (ширину листа, расстояния между характерными точками листовой поверхности, углы между жилками), поскольку данные структуры легко воспринимаются человеческим глазом или простыми измерительными инструментами (линейкой, транспортиром и т.д.). Однако их измерение достаточно трудоемко, обеспечение точности измерений
представляет серьезную проблему.
В настоящее время, в связи с развитием измерительных технологий и процедур, диапазон признаков может быть увеличен за счет включения неморфологических признаков (свойств) растений, в частности, физиологических или биохимических. Последние определяются количественным и качественным содержанием различных
веществ в тканях растения и непосредственно взаимосвязаны с протекающими в них физиологическими процессами.
Оценка стабильности развития растений по ФА находит широкое применение для условий естественной окружающей среды, но может применяться так же в искусственных биосистемах (например, теплицах или сити-фермах), в которых контроль величины ФА листьев позволит выявить даже незначительные отклонения параметров внутренней среды сооружений, еще не приведшие к необратимым изменениям в выращиваемых растениях. В исследованиях, проведенных в лаборатории энергоэкологии светокультуры ИАЭП выявлено, что в условиях светокультуры параметры световой среды влияют на ФА БП, а следовательно, на стабильность развития растений томата [6], огурца [7], кабачка [8], микрозелени [9].
Вопрос о том, может ли оценка стабильности развития растения быть произведена по физиологическим параметрам и биохимическим показателям листа до настоящего времени в научной литературе и уровне техники недостаточно раскрыт.
Известно, что несимметричность морфологии листа, связанная с неравномерностью развитии листовой пластинки по обе стороны главной жилки, влияет на биохимический состав тканей листа. Выявлено, что при несимметрии морфологических параметров наблюдаются различия в физиологических и
биохимических процессах, приводящих к различиям в содержании и активности некоторых веществ между левой и правой половинками листьев. Как правило, большая половина листа характеризуется большим содержанием хлорофилла, аскорбиновой кислоты или большей активностью каталазы и пероксидазы [10]. Известно отличие плотности эпидермальных клеток у
половинок листа [11] и оптических характеристик верхней и нижней сторон листа [12].
Подходы к оценки степени воздействия факторов окружающей среды на стабильность развития растения
Известен способ определения ФА БП, при котором в качестве последних принимают расстояния между характерными точками или углы между жилками листьев [13]. Всего обмеряют N листьев, с каждого листа снимают М признаков. Вычисляют относительные величины асимметрии для каждого у'-го признака /-го листа, для этого разность между промерами слева (Ь) и справа (К) делят на сумму этих же промеров
т - r
фа -
1 т + r
(1)
Вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков
1 M
ФА - M ^ФА'.
(2)
1-1
Вычисляют интегральный показатель асимметрии как среднюю арифметическую всех величин асимметрии для каждого листа
1 N
фа -—уфа .
Nу '
(3)
Недостатками способа являются трудоемкость измерения морфологических БП, недостаточная точность их измерений, необходимость обмера большого количества листьев. Общее количество измерений составляет М х N и может доходить до нескольких сотен.
Известен способ, в котором ФА находят для величины отношения диаметров ствола,
измеренных в двух взаимно
перпендикулярных направлениях север-юг и восток-запад, тем самым снижая количество признаков M до одного [14]. Однако, обмер одного растения (дерева) позволяет получить только одно значение величины ФА. Это означает, что для сохранения статистической достоверности необходимо произвести обмер значительно большего количества деревьев, чем при использовании стандартных признаков листьев, что увеличивает трудоемкость измерений.
Известен способ измерения ФА, при котором используют математическую модель, за счет чего потребное для измерений количество листьев N может быть снижено [15]. Однако использование математической модели не может компенсировать статистические ошибки, возникающие при малом количестве экспериментальных данных.
Известен способ определения
стабильности развития растений, в котором в качестве БП используют оптическую плотность листа в точках, характеризующихся одинаковыми условиями расположения относительно границы левой и правой частей листа, измеренную в широких спектральных диапазонах [16]. Недостатком способа является то, что оптическая плотность листа в широком диапазоне длин волн (100 нм) не может быть однозначно сопоставлена с отдельными составляющими биохимического состава ткани листа.
Наиболее близким является способ определения стабильности развития растений, в котором на отдельных (дискретных) длинах волн листовым спектрометром измеряют коэффициенты отражения листовой поверхности в геометрически симметричных относительно центральной жилки листа точках. В качестве БП выбирают вегетационные индексы, характеризующие
биохимический состав или физиологическое состояние листа в данных точках. Расчет ФА ведут по приведенным выше формулам [17]. Недостатки способа - необходимость переустановки зажимов измерительного прибора на листе растения для измерений в различных парах точек, затрудненность точного позиционирования зажимов.
Таким образом, известные способы определения стабильности развития растений по ФА, предусматривающие измерение морфологических признаков, являются трудоемкими, их точность ограничена возможностью измерительных средств (линейка, транспортир). Известные решения, основанные на использовании в качестве БП оптических свойств листа
(мультиспектральных данных), расширяют функциональные возможности способа, но малоинформативны. Применение методов гиперспектральной сьемки, позволяющих судить о физиологических или биохимических признаках растений по коэффициентам отражения всего множества точек поверхности листа, для целей определения стабильности развития из уровня техники не известно. Применение спектральных приборов требует ручного проведения измерений и трудоемко.
Оценка фенотипа растений методами фенотипирования
Фенотипирование (в англо-язычной литературе high-throughput phenotyping, высокопроизводительное фенотипирование) -это процедура оценки фенотипа растения по его размерам, форме, физиолого-биохимическим характеристикам в конкретных условиях внешней среды и активности генома [18]. Современные методы фенотипирования обладают высокой производительностью, позволяют получать данные в режиме реального времени и
анализировать информацию о целом спектре физиологических параметров [19].
Фенотипирование растений - важный инструмент для понимания их
взаимодействия с внешней средой и имеет большое значение для применения в практике растениеводства. В настоящее время эта технология находится в стадии быстрого развития. Фенотипирование растений на основе получения цифровых моделей доказывает свою ценность не только в фундаментальной науке, но также в растениеводстве и точном земледелии, обеспечивая количественную основу описания взаимодействия растений и окружающей среды [20].
Ключ к успеху - легкость и применимость современных подходов к анализу цифровых изображений, которые получают в процессе роста и развития растений, тем самым поз позволяя рентабельно
высокопроизводительное фенотипирование в соответствующие онтогенетические этапы. Поскольку потенциал анализа изображений в контекст фенотипирования растений далек от исчерпания, эту технологию как научную область ждет развитие уже в ближайшее время [21].
Фенотипирование является технологий феномики растений как научной дисциплины, концентрирующейся на выявлении закономерностей формирования, организации и изменения фенотипа растения во взаимосвязи с влиянием внешних факторов. Область ее исследований лежит на стыке биологии, физиологии растений, физики, инженерии и компьютерных технологий [22]. Применение технологии фенотипирования в агро- и биоценозах, в том числе в искусственных биоэнергетических системах (теплицах) при энерго- и экологическом мониторинге позволит обеспечить энергоэффективность и добиться
повышения продукции.
экологичности выпускаемой
Прогресс технологий фенотипирования, наблюдаемое в настоящее время, базируется на развитии методов регистрации цифровых изображений, систем компьютерного зрения и машинного обучения. Основным понятием в этой области знаний является феном -совокупность форм проявления организма. Он слагается из фенотипов - композиций количественных и качественных признаков живой системы на определенном этапе онтогенеза и в конкретных условиях обитания. Феномика изучает и сводит к закономерностям процессы формирования, изменения и регуляции фенотипических проявлений живых систем.
Феномика получила большой импульс к развитию в связи с широкими возможностями, предоставляемыми цифровой фотосьемкой.
Даже в рамках одного генотипа строение растительных организмов исключительно пластично и в большой степени зависит от условий окружающей среды. Ее параметры оказывают огромное влияние на фенотипические показатели, фиксация которых цифровыми методами создает возможность изучения зависимости реализации конкретного фенотипа при воздействии на него сложных комбинаций динамично изменяющихся внешних факторов среды.
Возникновение и становление феномики растений напрямую связано с прогрессом в регистрации цифровых изображений и развитием компьютерной и системной биологии. Доступность получения, анализа, хранения и обработки цифровых RGB-изображений легла в основу создания первых феномных платформ - программно-аппаратных комплексов, адаптированных под
конкретные экспериментальные нужды. Разработанные к настоящему времени платформы фенотипирования позволили создать технологию оценки эффективности фотосинтеза, описать фенотипические проявления для большого числа генов и связать их активность с конкретными физиологическими процессами, такими как фотосинтез, дыхание, стрессоустойчивость и контроль архитектоники побегов [23].
Феномика - это относительно молодая область знаний. В настоящее время феномные исследования в большей степени сфокусированы на регистрации
морфометрических и физиологических характеристик надземных частей растений.
Существующие подходы к решению задачи взаимосвязи между фенотипом, генотипом и окружающей средой у растений выдвигают ряд вполне естественных требований к основным направлениям развития феномики растений [24].
Прежде всего технологии
фенотипирования должны быть направлены на определение характеристик
индивидуального фенотипа для одного организма, поскольку именно реализация генетической информации на
фенотипическом уровне у отдельных организмов позволяет адекватно оценить их популяционную изменчивость. Усреднение фенотипических характеристик по группам растений, выращиваемых в условиях, которые экспериментатор полагает идентичными, создает погрешность в создаваемых моделях.
Другим важным моментом является направленность изучения фенотипических характеристик на уровне органов (таких как корень, лист, стебель, соцветие, колос, семена), физиологических свойств растений (скорость развития на отдельных этапах онтогенеза, показатели эффективности
фотосинтеза и эффективность использования воды, устойчивость к стрессу) или их общих характеристик, таких как продуктивность, биомасса, устойчивость к заболеваниям. Поэтому фенотипические характеристики, связанные с этими уровнями организации или физиологическими параметрами,
представляют для феномики растений наибольший интерес.
При анализе растения в целом или его отдельных органов для биолога прежде всего важны параметры, характеризующие форму, размер, массу. Поэтому одним из важных направлений современной феномики является разработка методов морфометрии -определение формы и размера листьев.
При измерении фенотипических характеристик одним из важных условий является проведение анализа фенотипа без повреждения растений. Такие
неразрушающие технологии позволяют наблюдать изменение фенотипических характеристик для одного и того же растения в процессе его роста и развития. В результате можно оценивать скорость изменения фенотипа в зависимости от генотипа или условий среды.
Одной из важных составляющих селекционно-генетического эксперимента является необходимость учета условий окружающей среды. При анализе растений для решения этой задачи эксперимент можно проводить в полностью контролируемых условиях (при заданном уровне полива, освещенности, температуры). Варьируя контролируемые параметры среды (например, в теплице или специальном боксе), можно оценить их влияние на изменчивость фенотипа растения.
Большой интерес является
фотометрирование листьев - основных фотосинтетических органов растений,
выполняющих такие важные функции, как дыхание, транспирация и гуттация. Посредством листьев растения
взаимодействуют с окружающей средой над поверхностью почвы.
Спектральные характеристики листьев растений как источник информации при фенотипировании
Спектральные характеристики
поверхности листьев растения используются для определения ряда признаков при фенотипировании, начиная от простейших соотношений на двух длинах волн и заканчивая достаточно сложными
уравнениями и алгоритмами. Простейший индикатор состояния растения - цвет его листа. Глаз человека весьма чувствителен к цветовым оттенкам. Особенности окраски листа растения зависят от его генетических свойств, таких как содержание хлорофилла и других пигментов, от общего состояния растения, от морфологических признаков (толщина и структура поверхности листа.
Цвет листа изменяется в процессе роста и развития растения, зависит от условий питания и факторов окружающей среды. Часто используемым показателем при дистанционной оценке состояния растения является индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).
Этот вегетационный индекс является показателем количества фотосинтетически активной биомассы. Расчет индекса базируется на двух не зависящих от прочих факторов участках спектральной кривой отражения сосудистых растений - максимума поглощения хлорофилла и максимума отражения клеточных структур листа. Высокая фотосинтетическая активность ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной.
K - K NDVI = K800 K 680
K800 + K 680
(4)
Пигментный состав листа растения в отдельных точках его поверхности может быть определен неразрушающим методом с помощью различных приборов. Типичным является применение хлорофиллметра ССМ 200. Однако значительно более производительным методом является использование гиперспектральной камеры, позволяющей исследовать сразу всю поверхность листа (рис. 2).
Рис. 2. Определение спектральных характеристик листьев растения ручным измерентелем (слева) и с помощью гиперспектральной камеры (справа)
Известен способ определения
биохимического состава в различных частях листа растения, по которому для каждой точки поверхности листа получают зависимость коэффициента отражения от длины волны (гиперспектральные данные). Предварительно получают модель, связывающую коэффициенты отражения участка поверхности и биохимический состав ткани листа, ограниченной этой поверхностью [25]. Возможность его применения для определения стабильности развития растений по ФА не раскрыта.
Способ определения стабильности развития растения по результатам фенотипирования
Суммируя результаты литературного и патентного поисков, можно предложить следующий способ оценки стабильности развития растения по спектральным
характеристикам его листьев, определяемым методами фенотипирования.
Из имеющихся в наличии экземпляров растений данного вида и сорта выбирают наиболее гармонично развитое растение, из кроны которого выбирают здоровый, без деформаций и повреждений лист (листья). С помощью гиперспектральной камеры получают файл изображения листа, в котором содержится информация о спектральных коэффициентах отражения каждой точки листовой поверхности. Данная информация представлена в виде зависимости коэффициента отражения листа огурца К ,
%, от длины волны Я, нм (рис. 3). Показаны отсчеты на длинах волн 680 и 800 нм, необходимые для расчета вегетационного индекса ЫВУ1, принимаемого в примере в качестве билатерального признака.
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения листа растения от длины волны
Программно на изображении поверхности листа, с учетом картины жилкования, выделяют парные точки, расположение которых относительно границы левой и правой половин листа одинаково. Для геометрически симметричного листа под одинаковыми условиями расположения понимается равенство расстояний от этих точек до центральной жилки листа (рахиса) вдоль всего его протяжения. У асимметричного листа парные точки выбирают с учетом разной ширины его правой и левой половин для данной
координаты вдоль рахиса. У сложно-рассеченного листа парные точки выбирают на парных листочках симметрично относительно рахиса.
Предварительно определяют набор вегетационных индексов, наилучшим образом характеризующий влияние факторов окружающей среды на стабильность развития растений. Для этого при искусственном выращивании растений создают различные условия микроклимата (изменяя такие факторы, как облученность, спектр источников света, температуру,
концентрацию СО2 и др.), позволяющие для различных вариантов выращивания получить выборки растений, характеризуемые заведомо различной стабильностью развития. Для растений в естественных условиях выбирают места их произрастания с различными уровнями факторов, влияющих на стабильность развития (степень затененности, агрохимический состав почвы, загрязняющие факторы и др.). Проводят статистический анализ полученных данных. Определяют значения ФА по каждому вегетационному индексу для выборок растений с заведомо различной стабильностью развития. Выбирают те индексы, по которым различия в величине ФА наибольшие. Считают, что индексы из этого набора (по отдельности или в совокупности) наиболее адекватным образом характеризуют влияние факторов окружающей среды на стабильность развития растений.
В основных измерениях из файла изображения листа для выделенных парных точек на тех длинах волн, которые участвуют в расчетах выбранных вегетационных индексов, извлекают информацию о соответствующих коэффициентах отражения. Производят расчет индексов. Учитывают все выбранные парные точки поверхности листа и каждый выбранный индекс из набора. Данные
индексы для точек на левой и правой половине листа считают билатеральными признаками. Вычисляют относительные величины ФА для каждого у-го индекса /-го листа (формула 1). Вычисляют показатель ФА асимметрии для каждой пары точек как среднее по числу учитываемых индексов (формула 2). Вычисляют интегральный показатель ФА для всех выбранных пар точек листа как среднее по количеству пар (формула 3). В качестве меры стабильности развития растений принимают вычисленное значение ФА.
На рис. 4 показаны значения вегетационного индекса ЫВУ1 как билатерального признака, вычисленного для четырех парных точек, слева и справа от границы между левой и правой половинами листа огурца [26].
Рис. 4. Индекс ЫБУ1
как билатеральный признак
Первичная информация для вычисления величины ФА, по которой судят о стабильности развития растений, содержится
в гиперспектральном изображении листа растения, представленном в виде трехмерного массива данных (куба данных), который включает в себя пространственную информацию о листе, дополненную спектральной информацией по каждой пространственной координате. Каждой точке изображения листа соответствует спектр отражения, полученный для соответствующей реальной точки листа. По спектрам отражения вычисляют значения вегетационных индексов.
Численный
пример.
Оценивали
стабильность развития растений огурца (Cucumis Sativus L.), выращиваемого в теплице. С помощью гиперспектральной камеры получали файл изображения листа огурца.
Наметили четыре парные точки, для которых производили выборку информации из массива гиперспектральных данных о коэффициентах отражения на длинах волн 680 и 800 нм для расчета вегетационного индекса NDVI в точках, расположенных слева (L) и справа (R) от рахиса листа.
Вычислили значения индекса NDVI для всех точек и значения ФА для пар точек. Вычислили среднее значение по четырем точкам. В примере ФА=0,0061 отн.ед.
В соответствии с предложенным способом, найденное значение ФА характеризует стабильность развития растения огурца, выращиваемого в заданных условиях окружающей среды.
Таблица к примеру вычисления величины ФА
Пара точек Коэффициент отражения, % NDVI,, ФА, отн.ед.
Слева (L) Справа (R) отн.ед.
680 нм 800 нм 680 нм 800 нм L R
1 10,8 55,3 10,9 57,7 0,673 0,682 0,0066
2 9,4 57,9 9,5 57,3 0,721 0,716 0,0035
3 10,2 56,4 10,7 56,8 0,694 0,683 0,0078
4 10,9 55,9 11,3 56,2 0,674 0,665 0,0063
Заключение
Диагностическими признаками состояния растений являются биометрические показатели. Наиболее современный способ их получения - применение технологии феномики. В работе произведен подбор информации о методах феномики, проанализирована возможность их
применения для определения стабильности развития растений путем
высокопроизводительного фенотипирования, а так же предложен удобный, точный и быстрый способ оценки степени влияния факторов окружающей среды на растения и их состояния в целом.
Рассмотрено понятие стабильности развития растений как меры благоприятности воздействия факторов окружающей среды. Отмечено, что из всех типов именно флуктуирующая асимметрия (ФА) может быть использована для характеристики стабильности развития.
Показано, что наряду с
морфологическими, диапазон признаков может быть увеличен за счет включения неморфологических признаков (свойств) растений, в частности, физиологических или биохимических. Последние определяются количественным и качественным
содержанием различных веществ в тканях растения и непосредственно взаимосвязаны с протекающими в них физиологическими процессами.
Изложены результаты патентого поиска способов оценки степени воздействия
факторов окружающей среды на стабильность развития растения по ФА.
Выявлено, что известные способы, предусматривающие измерение
морфологических признаков, являются трудоемкими, их точность ограничена возможностью измерительных средств. Известные решения, основанные на использовании в качестве БП оптических свойств листа расширяют функциональные возможности способа. Отмечено, что применение методов гиперспектральной сьемки, позволяющих судить о физиологических или биохимических признаках растений по коэффициентам отражения всего множества точек поверхности листа, для целей определения стабильности развития из уровня техники не известно.
Произведен анализ научной литературы по вопросам оценки фенотипа растений методами фенотипирования. В настоящее время эта технология находится в стадии быстрого развития. Фенотипирование
является технологией феномики растений как научной дисциплины, концентрирующейся на выявлении закономерностей
формирования, организации и изменения фенотипа растения во взаимосвязи с влиянием внешних факторов. Область ее исследований лежит на стыке биологии, физиологии растений, физики, инженерии и компьютерных технологий. Прогресс технологии фенотипирования, наблюдаемый в настоящее время, базируется на развитии методов регистрации цифровых изображений,
систем компьютерного зрения и машинного обучения. На примере вегетационного индекса ЫВУ1 показано, что спектральные характеристики листьев растений могут быть использованы как источник информации при фенотипировании.
Предложен способ определения стабильности развития растения по результатам фенотипирования. Способ основан на оценке ФА вегетационных индексов, вычисляемых для точек поверхности листа, характеризуемых одинаковыми условиями расположения относительно границы его левой и правой половин. Для определения коэфициентов отражения, необходимых для вычисления вегетационных индексов, используют
гиперспектральную камеру и процедуру фенотипирования.
Предварительная оценка возможности определения стабильности развития растения по результатам фенотипирования показала реализуемость способа и его практическую применимость.
Феномика растений в настоящее время бурно развивается. Для нее характерны широкая апробация новых методов фенотипирования для решения разнообразных задач, вовлечение новейших компьютерных и инженерных технологий в создание этих методов. Применение ее инструментария для определения стабильности развития растения является новым решением обсуждаемой в работе проблемы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2009. № 4. С. 89-92.
2. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Энергоэкология светокультуры - новое междисциплинарное научное направление // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 14-28.
3. Захаров В.М., Жданова Н.П., Кирик Е.Ф., Шкиль Ф.Н. Онтогенез и популяция: оценка стабильности развития в природных популяциях // Онтогенез. 2001. Т.32. №6. С. 404-421.
4. Зорина А. А. Методы статистического анализа флуктуирующей асимметрии // Принципы экологии. 2012. № 3. С. 24-47.
5. Захаров В.М., Трофимов И.Е. Морфогенетический подход к оценке здоровья среды: исследование стабильности развития // Онтогенез. 2017. Т.48. №6. С.433-442.
6. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А., Васькин А.Н. Оценка стабильности развития растений томата (Solanum Lycopersicum L.) в светокультуре по флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков листа // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 95. С. 100-112.
7. Мишанов А.П., Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Маркова А.Е. Анализ флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков сеянцев огурца, выращенных под различным
спектральным составом излучения // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 93. С. 19-27.
8. Ракутько E.H., Ракутько С.А. Влияние различий в спектральном составе излучения на флуктуирующую асимметрию билатеральных признаков ювенильных растений кабачка (Cucurbita Pepo var. Giromontina) // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 3 (100). С. 33-47.
9. Ракутько E.H., Ракутько С.А. Спектральный состав излучения влияет на стабильность развития микрозелени дайкона (Rhaphanus Sativus) // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2 (99). С. 71-85.
10. Молотковский Г.Х., Молотковский Ю.Г. Асимметрия, диссимметрия и полярность развития растений // Ботанический журнал. 1961. Т. 46, № 4. С.469-487
12. Полонский В.И. Использование флуктуирующей асимметрии супротивных листьев Syringa Josikaea Jacq. в биоиндикации загрязнения г. Красноярска // Вестник Омского государственного аграрного университета 2016. №1 (21).С. 77-82.
13. Жидкова E.H., Горшков В.И. Способ отбора растений рапса (Brassica Napis L.) по признаку засухоустойчивости. Патент на изобретение РФ. № 2498564, 20.11.2013. Заявка № 2011141321/10 от 13.10.11.
14. Полонский В.И. Способ измерения показателей морфологического признака растений для относительной оценки качества окружающей среды. Патент на изобретение РФ № 2613288. Заявка № 2016102223 от 25.01.2016.
15. Мазуркин П.М., Семенова Д.В. Способ измерения флуктуирующей асимметрии листьев березы. Патент на изобретение РФ № 2556987. Заявка № 2013130471/13 от 02.07.2013.
16. Ракутько E.H., Ракутько С.А. Способ оценки действия оптического излучения на растения по стабильности их развития. Патент на изобретение РФ №2724546. Заявка № 2019129170 от 17.09.2019
17. Ракутько E.H., Ракутько С.А. Устройство для определения флуктуирующей асимметрии оптических характеристик листьев растений. Патент на изобретение РФ №2730680. Заявка № 2020107793 от 20.02.2020.
18. Granier C., Vile D. Phenotyping and beyond: modelling the relationships between traits // Curr. Opin. Plant Biol. 2014. V. 18. P. 96.
19. Демидчик В.В., Шашко А.Ю., Бондаренко В.Ю. и др. Феномика растений: фундаментальные основы, программно-аппаратные платформы и методы машинного обучения // Физиология растений, 2020, т. 67. № 3. С. 227-245.
20. Pieruschka R., Schurr U. Perspective plant phenotyping: past, present, and future.// Plant Phenomics. 2019. Vol. 2019. Article ID 7507131. 6 p.
21. Walter A., Liebisch F., Hund A. Plant phenotyping: from bean weighing to image analysis (review). // Plant Methods. 2015. No.1. 14 p.
22. Bolger M., Schwacke R., Gundlach H., Schmutzer T., Chen J., Arend D., Oppermann M., Weise S., Lange M., Fiorani F., Spannagl M., Scholz U., Mayer K., Usadel B. From plant genomes to phenotypes // J. Biotechnol. 2017. V. 261. 46 p.
23. Fahlgren N., Gehan M.A., Baxter I. Lights, camera, action: high-throughput plant phenotyping is ready for a close-up // Curr. Opin. Plant Biol. 2015. V. 24. 93 p.
24. Афонников Д.А., Генаев М.А., Дорошков А.В., Комышев Е.Г., Пшеничникова Т.А. Методы высокопроизводительного фенотипирования растений для массовых селекционно-генетических экспериментов // Генетика. 2016. Т. 52. № 7. С. 788 -803.
25. Модиано С.Х., Депперманн К.Л. Способы и устройства для анализа образцов сельскохозяйственной продукции. Патент на изобретение РФ № 2288461. Заявка 2003116064/28 от 26.10.2001.
26. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Мишанов А.П. Определение стабильности развития растений в светокультуре с использованием гиперспектральной сьемки. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2021 №15(1): 4-8.
REFERENCES
1. Rakutko S.A. Energeticheskaya otsenka i optimizatsiya biotekhnicheskikh sel'skokhozyaistvennykh system [Energetic evaluation and optimizing biotechnical agricultural systems]. Vestnik Rossiiskoi akademii sel'skokhozyaistvennykh nauk. 2009. No. 4: 89-92 (In Russian)
2. Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakutko E.N. Energoekologiya sveto-kul'tury - novoe mezhdistsiplinarnoe nauchnoe napravlenie [Energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as a new interdisciplinary research area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaproduktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 90: 14-28 (In Russian)
3. Zakharov V.M., Zhdanova N.P., Kirik E.F., Shkil' F.N. Ontogenesis and population: evaluation of developmental stability in natural populations. Russian Journal of Developmental Biology. 2001. Vol. 32. No. 6: 336-351 (In English)
4. Zorina A. A. Metody statisticheskogo analiza fluktuiruyushchei asimmetrii [Methods of statistical analysis of fluctuating asymmetry]. Printsipy ekologii. 2012. No. 3: 24-47 (In Russian)
5. Zakharov V.M., Trofimov I.E. Morfogeneticheskii podkhod k otsenke zdorov'ya sredy: issledovanie stabil'nosti razvitiya [Morphogenetic approach to estimation of environmental health: study of development stability]. Ontogenez. 2017. Vol.48. No.6: 433-442 (In Russian)
6. Rakutko E.N., Rakutko S.A., Vaskin A.N. Otsenka stabil'nosti razvitiya rastenii tomata (Solanum Lycopersicum L.) v svetokulture po fluktuiruyushchei asimmetrii bilateral'nykh priznakov lista [Evaluation of developmental stability by fluctuating asymmetry of bilateral leaf traits in plants of tomato (Solanum Lycopersicum L.) grown under indoor plant lighting]. Tekhnologii i tekhnicheskie
sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 95: 100-112 (In Russian)
7. Mishanov A.P., Rakutko S.A., Rakutko E.N., Markova A.E. Analiz fluktuiruyushchei asimmetrii bilateral'nykh priznakov seyantsev ogurtsa, vyrashchennykh pod razlichnym spektral'nym sostavom izlucheniya [Analysis of fluctuating asymmetry of bilateral traits of cucumber seedlings grown under radiation with different light quality]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. No. 93: 19-27(In Russian)
8. Rakutko E.N., Rakutko S.A. Vliyanie razlichii v spektral'nom sostave izlucheniya na fluktuiruyushchuyu asimmetriyu bilateral'nykh priznakov yuvenil'nykh rastenii kabachka (Cucurbita Pepo var. Giromontina) [Influence of light quality on fluctuating asymmetry of bilateral traits of juvenile marrow plants (Cucurbita Pepo var. Giromontina)]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 3 (100): 3347 (In Russian)
9. Rakutko E.N., Rakutko S.A. Spektral'nyi sostav izlucheniya vliyaet na stabil'nost' razvitiya mikrozeleni daikona (Rhaphanus Sativus) [Light quality from different lighting sources impacts the developmental stability of Rhaphanus Sativus microgreens]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 2 (99): 7185 (In Russian)
10. Molotkovskii G.Kh., Molotkovskii Yu.G. Asimmetriya, dissimmetriya i polyarnost' razvitiya rastenii [Asymmetry, dissymmetry and polarity of plant development]. Botanicheskij zhurnal. 1961. Vol. 46. No. 4: 469-487 (In Russian)
11. Polonskii V. I., Polyakova I. S. Increased size of epidermal cells in Syringa Josikaea Jacq. smaller leaf side as an adaptive mechanism for reducing its asymmetry. Russian Journal of Developmental Biology. 2015. Vol. 46. No. 6: 356-361 (In English)
12. Polonskii V.I. Ispol'zovanie fluktuiruyushchei asimmetrii suprotivnykh list'ev Syringa Josikaea Jacq. v bioindikatsii zagriaznenija g. Krasnoyarska [Use of fluctuating asymmetry of opposite leaves Syringa Josikaea Jacq. in the bioindication of pollution in the city of Krasnoyarsk]. Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. No.1 (21): 77-82 (In Russian)
13. Zhidkova E.N., Gorshkov V.I. Sposob otbora rastenii rapsa (Brassica Napis L.) po priznaku zasukhoustoichivosti [Method of selection of rapeseed plants (Brassica Napis L.) by drought resistance]. Patent on invention RF No. 2498564. 2013 (In Russian)
14. Polonskii V.I. Sposob izmereniya pokazatelei morfologicheskogo priznaka rastenii dlya otnositel'noi otsenki kachestva okruzhayushchei sredy [A method for measuring indicators of the morphological trait of plants for a relative assessment of the environment quality]. Patent on invention RF No. 2613288. 2016 (In Russian)
15. Mazurkin P.M., Semenova D.V. Sposob izmereniya fluktuiruyushchei asimmetrii list'ev breezy [Method for measuring fluctuating asymmetry of birch-tree leaves]. Patent on invention RF No. 2556987. 2013 (In Russian)
16. Rakutko E.N., Rakutko S.A. Sposob otsenki deistviya opticheskogo izlucheniya na rasteniya po stabil'nosti ikh razvitiy [A method for assessing the effect of optical radiation on plants by their developmental stability]. Patent on invention RF No.2724546. 2019 (In Russian)
17. Rakutko E.N., Rakutko S.A. Ustroistvo dlya opredeleniya fluktuiruyushchei asimmetrii opticheskikh kharakteristik list'ev rastenii [A device for determining the fluctuating asymmetry of the optical characteristics of plant leaves]. Patent on invention RF No. 2730680. 2020 (In Russian)
18. Granier C., Vile D. Phenotyping and beyond: modelling the relationships between traits. Curr. Opin. Plant Biol. 2014. Vol. 18: 96.
19. Demidchik V.V., Shashko A.Y., Bandarenka U.Y., Przhevalskaya D.A., Charnysh M.A., Smolich I.I., Sokolik A.I., Yu M., Smolikova G.N., Pozhvanov G.A., Medvedev S.S., Barkosvkyi A.V. Plant phenomics: fundamental bases, software and hardware platforms, and machine learning. Russian Journal of Plant Physiology. 2020. Vol. 67. No. 3: 397-412 (In English)
20. Pieruschka R., Schurr U. Perspective plant phenotyping: past, present, and future. Plant Phenomics. 2019. Vol. 2019. Article ID 7507131: 6
21. Walter A., Liebisch F., Hund A. Plant phenotyping: from bean weighing to image analysis (review). Plant Methods. 2015. No.11:14.
22. Bolger M., Schwacke R., Gundlach H., Schmutzer T., Chen J., Arend D., Oppermann M., Weise S., Lange M., Fiorani F., Spannagl M., Scholz U., Mayer K., Usadel B. From plant genomes to phenotypes. J. Biotechnol. 2017. V. 261. 46 p.
23. Fahlgren N., Gehan M.A., Baxter I. Lights, camera, action: high-throughput plant phenotyping is ready for a close-up // Curr. Opin. Plant Biol. 2015. V. 24. 93 p.
24. Afonnikov D.A., Genaev M.A., Doroshkov A.V., Komyshev E.G., Pshenichnikova T.A. Methods of high-throughput plant phenotyping for large-scale breeding and genetic experiments. Russian Journal of Genetics. 2016. Vol. 52. No. 7: 688-701 (In English)
25. Modiano S.Kh., Deppermann K.L. Sposoby i ustroistva dlya analiza obraztsov sel'skokho-zyaistvennoi produktsii. Patent on invention RF № 2288461. 2001 (In Russian)
26. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Mishanov A.P. Opredelenie stabil'nosti razvitiya rastenii v svetokul'ture s ispol'zovaniem giperspektral'noi s'emki [Determination of plant developmental stability in plant lighting with hyperspectral imaging]. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii. 2021 №15(1): 4-8 (In English)
