Физические методы исследований. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Статья научная
Инфракрасная (ИК) спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) - современные методы, на основе которых успешно формируются биотехнологические подходы, позволяющие проводить генетический и функциональный анализ отдельных органов и тканей растений на молекулярном уровне. В представленной работе с помощью спектроскопии поверхностного внутреннего отражения (ПВО), которая представляет собой модификацию ИК-спектроскопии, впервые зарегистрированы и выявлены различия в содержании и конформации биомолекул в гомогенатах целого зерна гибридов кукурузы ZP 735 и его компонентов (эндосперм, перикарп, зародыш). Нашей целью была разработка методологии спектроскопии поверхностного внутреннего отражения для идентификации органических молекул, их содержания и конформации в семени кукурузы и его тканях. Объектом исследования служили зерна гибрида кукурузы ( Zea mays L.) ZP 735 (оригинатор - Maize Research Institute, Zemun Polje, г. Белград, Сербия). Методом случайной выборки было отобрано 30 зерен. Для получения ПВО-спектров образцы целых зерен и их частей (эндосперма, перикарпа и зародыша) измельчали, гомогенизировали и помещали в специальную ячейку прибора. Для регистрации ПВО-спектров использовали спектрометр (Nicolet™ iS20 FTIR Spectro-meter, «Thermo Scientific», США) с алмазом (diamond ATR crystal, «Thermo Scientific», США), для анализа спектров - пакет программ («Thermo Scientific», США). ПВО-спектры сопоставляли в библиотеке данных программы Advanced ATR correction Algorithm. Метод ПВО-спектроскопии основан на отражении пучка света на границе раздела двух фаз: фазы кристалла с высоким показателем преломления, входящего в состав прибора ПВО, и фазы исследуемого образца с более низким показателем преломления. В процессе измерения луч света проникает на небольшую глубину в фазу образца, где частично поглощается. При последующих облучениях образца это явление повторяется, и в результате регистрируется ПВО-спектр. Доказано, что в диапазоне от 400 см-1 до 4000 см-1 ПВО-спектры целого зерна, эндосперма, перикарпа и зародыша гибрида ZP 735 были аналогичны полученным ранее ИК-спектрам зерна, что свидетельствует о возможности использования нового метода для технологий молекулярной селекции. Расположение полос ПВО-спектра характеризует различные формы колебаний валентных связей функциональных групп органических молекул семени, что позволяет идентифицировать не только наличие определенных молекул, но и их конформацию. Доказано, что с помощью анализа амплитуды полос ПВО-спектра (максимальная амплитуда интенсивности и высокая амплитуда интенсивности) в тканях семени можно контролировать изменение содержания ряда органических соединений: протеинов, липидов, сахаров, сложных эфиров, амидов, кетонов, альдегидов, карбоновых кислот, простых эфиров, фенолов, спиртов, ароматических углеводородов, ациклических соединений, алкенов, алканов и алкинов. Полученные результаты важны для тестирования наличия в зерне необходимых органических соединений или изменения их конформации в процессе селекции. К важным преимуществам метода ПВО-пектроскопии по сравнению с ИК-спектроскопией относятся, с одной стороны, сохранение нативности объекта (возможность проведения исследования без фиксации или окрашивания) и простая пробоподготовка, с другой - эффективная оценка содержания и конформации молекул с высокой чувствительностью (разрешение порядка 1,0 см-1). Реализация разработанной методики для формирования технологии молекулярной селекции повысит рентабельность культивирования и эффективность селекции не только кукурузы, но и других сельскохозяйственных растений.
Бесплатно
Статья научная
Для контроля качества семенного материала существует ряд стандартных тестов, регламентированных ISTA (International Seed Testing Association, Швейцария), а также перспективных инструментальных методов, оценивающих характеристики поверхности семян, их структурной целостности и интегральные электрофизические параметры. Цель исследования заключалась в оценке эффективности инструментальных физических методов при изучении скрытой дефектности у экологически разнокачественных семян пшеницы разного генетического происхождения. Разнокачественность и скрытую дефектность семян пшеницы ( Triticum aestivum L.) оценивали с использованием оптической визуализации, микрофокусной рентгенографии и электрофотографии. Установлено, что метод оптической визуализации в сочетании с автоматическим анализом цифровых сканированных изображений позволяет статистически достоверно различать семена пшеницы разных сортов и генетических линий по цветовым характеристикам - составляющим цветовой модели RGB (red - красный, green - зеленый, blue - синий), а именно цветовому тону и насыщенности. Также выявлены различия между семенами одних и тех же сортообразцов и генетических линий, полученных в полевых и регулируемых условиях. Обнаружено, что цветовые характеристики поверхности семян, оцениваемые с помощью анализа цифровых сканированных изображений, статистически значимо различаются как у сортов и генетических линий пшеницы, так и у одного образца, выращенного в неодинаковых экологических условиях (полевых либо регулируемых). В частности, значения цветового тона цифровых сканированных изображений у семян разных сортов пшеницы, полученных в регулируемых условиях (фитополигон Агрофизического института), менялись от 0,081±0,0005 до 0,090±0,0006, в полевых - от 0,084±0,0005 до 0,088±0,0005, насыщенности - соответственно от 0,326±0,0005 до 0,419±0,0006 и от 0,371±0,0005 до 0,444±0,0005. Установлено, что увеличение числа трещин на рентген-проекциях зерновок пшеницы снижает их посевные качества. Выявлено, что поврежденность семян пшеницы клопом вредной черепашкой можно успешно детектировать с помощью микрофокусной рентгенографии в сочетании с автоматическим анализом цифровых рентгеновских изображений, при этом с увеличением балла поврежденности посевные качества семян в целом снижаются. Показано, что электрофотографические характеристики цифровых газоразрядных изображений у семян разных сортов пшеницы неодинаковы: средняя интенсивность изображений варьировалась от 53,30±1,00 до 60,60±1,17, коэффициент формы - от 6,67±0,35 до 8,28±0,48, энтропия - от 1,84±0,06 до 1,98±0,03. Предложенные нами подходы и полученные экспериментальные данные указывают на эффективность инструментальных физических методов при оценке разнокачественности и скрытой дефектности семян пшеницы. Это позволило разработать новое направление в функциональной неинвазивной диагностике качества семян с учетом комплексной оценки внешних и внутренних аномалий и дефектов, существенно влияющих как на биологическую полноценность семян, так и на их хозяйственную пригодность при решении фундаментальных и прикладных задач селекции и управляемого семеноводства.
Бесплатно
Статья научная
Так как методические приемы прямой генетики применимы только для моногенных признаков, свойства полученного селекционного материала, линии или сорта должны быть проверены в полевых условиях, поскольку присутствие в геноме желательного гена, подтвержденное молекулярными методами, не всегда приводит к формированию ценного для селекции признака. Системы на основе технологий 3D изображений позволяют получить модель растения, а также информацию о морфологических параметрах. Однако крайне мало внимания уделяется составлению протоколов проведения феноскрининга. Целью настоящего исследования была сравнительная оценка точности определения морфологических характеристик у растений сирени традиционными методами и с использованием технологии машинного зрения в зависимости от расположения объекта на сканируемой поверхности. В качестве модели для отработки методики феноскрининга выбрали микроклоны сирени ( Syringa vulgaris L.) сорта Милосердие. Микроклоны характеризуются высокой степенью морфологической однородности и небольшие по размеру, что позволяет проводить измерения и сопоставлять полученные данные в достаточно больших выборках, нормализуя их к средним значениям. Учеты выполняли после окончания адаптации растений и культивирования в течение 1 мес в тепличных боксах. При традиционной морфометрии выборка составляла 10 микроклонов, у которых измеряли высоту мерной линейкой, площадь поверхности каждого листа - контурным методом. При сканировании (3D-сканер PlantEye F500, «Phenospex B.V.», Нидерланды) каждое из 10 отобранных растений располагали в пяти разных точках сканируемой поверхности и в одном и том же положении проводили не менее пяти повторных сканирований. При применении технологии машинного зрения определяли 3D площадь листьев, проецируемую площадь листьев, цифровую биомассу, высоту, максимальную высоту, наклон листьев, угол наклона листьев, глубину проникновения света. Установлено, что для получения объективных и сопоставимых результатов при использовании 3D-сканера оптимально располагать растения в центре сканируемой поверхности в одном и том же положении, а в качестве морфологических параметров для идентификации сортов и фиксации приростов можно рекомендовать следующие параметры: площадь листа, проекционная площадь листа, высота, угол наклона листа. Для каждого вида растений необходимо проводить первичные морфологические исследования традиционными методами, а затем сравнивать полученные данные с результатами сканирования, чтобы внести поправочные коэффициенты и подтвердить информативность используемого набора признаков, тем самым повышая точность данных, полученных в результате использования технологии машинного зрения.
Бесплатно
