Анализ разнокачественности семян лука кристофа (Allium cristophii Trautv.) с помощью цифровой морфометрии

Современный уровень научных знаний в семеноведении сельскохозяйственных культур требует при- менения инновационных инструментальных методов, отличающихся высокой информативностью. Успешно применяются интроскопические методы оценки качества семенного материала, связанные с особенностями внутренней структуры семян [1,2,3]. Активно используют технологии компьютерного анализа изображений семян [4,5].

Морфометрические параметры семян характеризуют продуктивность и качество урожая сельскохозяйственных культур. Подсчет семян и визуальная морфометрия трудоемки в исполнении. Поэтому были предложены различные подходы для эффективной морфометрии семени с использованием методов обработки изображений [6,7,8]. Большинство из этих подходов были реализованы с использованием программного обеспечения для ПК с целью анализа изображений семян на светлом фоне, полученных с помощью цифровой камеры или сканера [9,10]. Эти подходы позволяют пользователям оценивать большое количество морфометрических параметров семени, описывающих форму и цвет [11]. Они также облегчают методы идентификации сорта с использованием изображений семян [12,13,14], определения содержания влаги в семенах и прогнозирования урожайности [15,16].

Методы обработки изображений для морфометрии и классификации семян применяют с 1980-х годов [17]. Обновления этих методов появляются постоянно, в том числе в последние годы. Используют различные методы оптического зондирования для оценки качества и безопас- ности семян [20], описывают сложные формы семян с использованием 2D-изображений [21,22]. Революционная технология 3D-визуализации и робототехника [23,24] или рентгеновская компьютерная томография [25], могут быть реализованы для точной оценки формы семян. Однако все еще существует необходимость в фенотипировании семян с использованием простых и доступных инструментов [10]. Они могут быть эффективно реализованы с высокой пропускной способностью.

Сотрудниками Агрофизического института и ФНЦО разработана методика [27] морфометрического анализа цифровых сканированных изображений семян на основе использования серийного программного обеспечения «ВидеоТесТ-Морфология» (“Аргус-BIO”), производства ООО «АргусСофт», г. Санкт-Петербург. Новая методика полностью лишена субъективизма, исключает ошибки оператора, существенно ускоряет время анализа и прибавляет новые параметры оценки исследуемого материала. Ранее нами были проанализированы линейные параметры экологически разнокачественных семян фасоли и матрикально разнокачественных семян моркови и пастернака [26,27].

Цель исследования – изучить морфометрические параметры семян лука Кристофа ( Allium cristophii Trautv.) из биоколлекции ВНИИО – филиала ФГБНУ ФНЦО в условиях Московской области путем цифрового сканирования.

Материал и методы

Материалом для исследований явились разнокачественные семена Allium cristophii Trautv. из биоколлекции ВНИИО – филиала ФГБНУ ФНЦО (Московская область).

Рис. 1. Растение A. cristophii Fig. 1. Plant A. cristophii

Рис. 2. Интерфейс программы «ВидеоТест-Морфология»

Fig. 2. The interface of the program "VideoTest-Morphology"

Семена были собраны из разных ярусов соцветий: нижнего, среднего и верхнего (рис. 1).

Программное обеспечение анализа изображений позволяет проводить автоматические и ручные измерения на изображениях. Программа способна выделять объекты интереса (семена) по цвету или порогу яркости.

Рассчитываются следующие морфометрические параметры семени:

• а)    Размерные: площадь проекции (мм²) и периметр (мм); длина (мм), ширина (мм), средний размер (мм), диаметры Фере (мм) и др.

• б)    Индексы формы: округлость (отн. ед.), удлиненность (отн. ед.), фактор эллипса (отн. ед.), изрезанность (отн. ед.);

• в)    Яркостные: средняя яркость (единицы яркости),

• г)    Цветовые: цветовые составляющие по модели RGB (единицы яркости) тон (отн. ед.), насыщенность (отн. ед.).

Измерение морфометрических и оптических параметров семян осуществляли путем анализа изображений с помощью программного обеспечения «ВидеоТест-Морфология». Цифровые изображения семян получены с использованием цифрового планшетного сканера HP Scanjet 200, разрешение 600 dpi, формат файлов TIFF. Интерфейс программы с проанализированным цифровым изображением семян лука Allium cristophii представлен на рисунке 2.

Проводили статистическую обработку значений признаков семян: вычисление для каждого признака минимального и максимального значений, среднего (математическое ожидание), среднеквадратичного отклонения, коэффициента осцилляции, доверительного интервала и коэффициента вариации.

Распределение семян по размерам: длина проекции изображения семени, не имеющего форму круга, на прямую в заданном направлении, измеряемая как расстояние между касательными к контуру изображения, проведенными параллельно выбранному направлению (средний диаметр Фере) δF .

Коэффициент осцилляции (размах вариации) ( V r ) отражает относительную изменчивость крайних значений признака по отношению к средней, вычисляют по формуле:

Хmax - Xmin

VR = ——————— 100% Xcр

Коэффициент вариации (V) рассчитывали по формуле:

S

• V = ——— 100% Xcр

Результаты и обсуждение

Интерес для морфометрического анализа составляют семена представителей рода Allium L. Лук Кристофа ( A. cristophii Trautv.) – среднеазиатский редкий вид, произрастающий в нижнем поясе гор Туркмении и северного Ирана, многолетник. Семянки размером (2,7-3,0)х(2,2-2,5) мм. Масса 1000 семянок равна 3,1-6,0 г. В 1 г навески содержится 166-323 шт. семянок. Семена обладают длительным периодом покоя, что доставляет сложности при их проращивании [28]. В условиях интродукции в Московской области цветонос высотой 15-17 см. Зацветает в июне, семена созревают 20-25 июля. Соцветие – шаровидный рыхлый зонтик диаметром 12-13 см. Продолжительность цветения 28-30 дней. Число цветков в соцветии до 70 шт. Цветки звездчатые, пурпурно-фиолетовые. Ландшафтные дизайнеры активно используют этот вид в озеленении.

Морфометрический анализ показал, что в среднем ярусе соцветия средняя длина семянки составила 3,295±0,047 мм, ширина – 2,605±0,045, площадь – 6,420±0,161 мм2, периметр – 9,256±0,111 мм, средний диаметр Фере – 2,93±0,04 мм, фактор круга – 0,94±0,01 отн. ед., фактор эллипса – 1,00±0,00 отн. ед., фактор удлиненности – 1,27±0,02 отн. ед., фактор изрезанности – 0,008±0,001 отн. ед. (табл. 1).

Размах вариации морфологических параметров семянок варьировал от 1,0% (фактор эллипса) до 212,5% (фактор изрезанности).

Площадь семянки имел средний коэффициент вариации (V) – 12,1%, фактор изрезанности – высокий (50 %). Остальные морфологические параметры имели коэффициент вариации ниже 10%.

Максимальный диаметр Фере в среднем составил 3,25 мм, средний диаметр Фере – 2,93 мм.

Цветение растений у всех видов Allium L., образующих полноценные цветки, начинается с вершины соцветия, постепенно перемещаясь к экваториальной части; вторая половина соцветия распускается позже, и самыми последними открываются цветки в нижней его части, в зоне прикрепления к цветоносному стеблю – стрелке. Ярусное расположение цветков на соцветии является причиной неодновременного созревания семянок Allium .

лах цифрового изображения. Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. С её применением также можно определить цвета и оттенки поверхности семян. Окраска поверхности семян является ярким показателем их качества и позволяет судить о степени их вызреваемо-сти. Это особенно важно для большинства регионов нашей страны с лимитированной свето- и теплообеспе-ченностью.

Анализ цветовых характеристик радиально разнокачественных семян A. cristophii (величины цветовых составляющих по модели RGB) выявил статистически значимое снижение показателей по всем цветовым каналам в ряду от нижнего яруса – к верхнему. Коэффициент вариации показателей яркости трех цветов незначительный – на уровне 10 % или ниже. Синий цвет объекта преобладает над красным и зеленым во всех ярусах соцветия (табл. 2).

Таблица 1. Статистический анализ морфометрических параметров семянок A. cristophii Trautv. из среднего яруса

Table 1. Statistical analysis of the morphometric parameters of the seeds of A. cristophii Trautv. from the middle tier

Морфологические параметры семянок	Хmin	Xmax	XСР	SXср	S	VR, %	V, %
Длина, мм	2,730	3,879	3,295	0,047	0,227	34,9	6,9
Ширина, мм	1,731	3,078	2,605	0,045	0,217	51,7	8,3
Средний размер, мм	2,23	3,36	2,95	0,04	0,18	38,3	6,1
Периметр, мм	7,052	10,345	9,256	0,111	0,538	35,6	5,8
Площадь проекции, мм2	3,483	8,159	6,420	0,161	0,778	72,8	12,1
Максимальный диаметр Фере, мм	2,66	3,84	3,25	0,04	0,22	36,3	6,8
Средний диаметр Фере, мм	2,23	3,27	2,93	0,04	0,17	35,5	5,8
Фактор круга, отн. ед.	0,85	0,99	0,94	0,01	0,03	14,9	3,2
Фактор эллипса, отн. ед.	0,99	1,00	1,00	0,00	0,00	1,0	0
Округлость, отн. ед.	0,58	0,92	0,77	0,01	0,07	37,6	9,1
Удлиненность, отн. ед.	1,05	1,61	1,27	0,02	0,12	44,1	9,4
Изрезанность, отн. ед.	0,001	0,018	0,008	0,001	0,004	212,5	50,0

Анализ разнокачественности семянок, обусловленная радиальным или разноярусным расположением в соцветии, показал, что длина и ширина семянок с нижнего яруса составили 3,301 и 2,681 мм, со среднего – 3,295 и 2,605 мм и с верхнего яруса – 3,265 и 2,58 мм, соответственно. Средний размер семянок с нижнего яруса был на уровне 2,99 мм, среднего – 2,95 мм и нижнего яруса – 2,92 мм (рис. 3). Таким образом, наиболее крупные семянки сформировались в нижнем ярусе соцветия, размер семянок уменьшается в верхнем ярусе. Такое различие в показателях связано с неравномерными условиями питания семянок в пределах соцветия.

Возможности программы «ВидеоТесТ-Морфология» не ограничиваются измерением и подсчетом линейных параметров семян. RGB – цветовая модель, в которой цвет описывается как смешение трех базовых компонентов, красного, зеленого и синего; R, G, B – численное значение яркости соответственно в красном, зеленом и синем кана-

Рис. 3. Размерные характеристики радиально разнокачественных семянок Allium cristophii

Fig. 3. Dimensional characteristics of radially heterogeneous seeds of Allium cristophii

Таблица 2. Статистический анализ цветовых параметров разнокачественных семянок A cristophii Trautv.

Table 2. Statistical analysis of the color parameters of different-quality achenes A. cristophii Trautv.

Показатель	Ярусы соцветия	Хmin	Xmax	XСР	SXср	S	VR, %	V, %
	нижний	33,49	56,98	40,72	0,829	4,229	57,7	10,4
Красный, ед. яркости	средний	33,15	50,74	38,54	0,643	3,114	45,6	8,1
	верхний	30,97	44,21	36,93	0,580	2,957	35,8	8,0
	нижний	32,49	56,96	40,23	0,833	4,251	60,8	10,6
Зеленый, ед. яркости	средний	32,55	48,34	38,12	0,612	2,964	41,4	7,8
	верхний	30,49	43,56	36,41	0,560	2,856	35,9	7,8
	нижний	33,74	59,89	42,14	0,873	4,454	62,1	9,9
Синий, ед. яркости	средний	33,95	47,70	39,90	0,608	2,944	34,5	7,4
	верхний	31,65	46,00	38,54	0,613	3,127	37,2	8,1
	нижний	0,659	0,895	0,715	0,008	0,039	33,0	5,5
Тон, отн. ед.	средний	0,635	0,827	0,691	0,021	0,101	27,8	14,6
	верхний	0,635	0,843	0,709	0,009	0,046	29,3	6,5
	нижний	0,012	0,031	0,023	0,001	0,004	82,6	17,4
Насыщенность, отн. ед.	средний	0,015	0,038	0,024	0,001	0,005	95,8	20,8
	верхний	0,019	0,048	0,029	0,001	0,005	100,0	17,2

Рис. 4. Цветовые характеристики радиально разнокачественных семянок A. cristophii

Fig. 4. Color characteristics of radially heterogeneous seeds A. cristophii

В семянках нижнего яруса яркость синего цвета составила 42,14 ед., среднего – 39,9, верхнего – 38,54 ед. (рис. 4). Высокая единица яркости синего цвета семянок нижнего яруса говорит об их зрелости.

В целом, масштабные селекционные и семеноводческие эксперименты требуют оперативного измерения и обработки значительных фенотипических данных, в том числе и для характеристики семян. Изложенная методика морфометрии семян демонстрирует высокую производительность и точность измерений.

Заключение

В наших исследованиях цифровой морфометрический анализ позволил выявить матрикальную разнокачественность семян A. cristophii , обусловленную радиальной ярусностью их расположения в пределах соцветия. Анализ размерных характеристик (длина, ширина, средний размер) семян выявил тенденцию к снижению размера от нижнего яруса – к верхнему, что связано с неодинаковыми условиями питания и формирования семян.

Возможности программы позволяет определить окраски и оттенки поверхности семян, что является важнейшей характеристикой их качества. Анализ цветовых характеристик разнокачественных семян лука Кристофи (по цветовой модели RGB) выявил статистически значимое снижение показателей по всем цветовым каналам от нижнего яруса – к верхнему.

Высокая точность измерений по широкому ряду морфометрических параметров позволит в дальнейшем анализиро-

Об авторах:

Кашлева Анна Ивановна – кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник лаборатории селекции и семеноводства зеленных культур Щукина Полина Алексеевна – инженер сектора биофизики растений Белецкий Сергей Леонидович – кандидат техн. наук, зам. директора по научной работе

Ушакова О.В. – кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник лабораторно-аналитического отдела вать не только экологически и матрикально разнокачественные семена, а также метод успешно может применяться для решения ботанических задач, при систематике растений, в том числе по внешним параметрам семян. Цифровой морфометрический анализ – будущее в развитии новой техники и ее интеграции в многогранные системы биологии растений.

Farhad B. Musaev – Doc. Sci. (Agriculture), Leading Researcher Nikolay S. Priyatkin – Cand. Sci. (Techn.), Senior Researcher, Head of the Plant Biophysics Sector

Aleksander F. Bukharov – Doc. Sci. (Agriculture),

Head of the Laboratory of Seed Science,

Maria I. Ivanova – Doc. Sci. (Agriculture),

Professor of the Russian Academy of Sciences,

Head. Laboratory of selection and seed production of green crops,

Anna I. Kashleva – Cand. Sci. (Agriculture), senior researcher at the laboratory of selection and seed production of green crops Polina A. Schukina – engineer of the plant biophysics sector Sergey L. Beletsky – Cand. Sci. (Techn.), deputy director for scientific work

Olga V. Ushakova – Cand. Sci. (Agriculture)