Новое ПО анализирует жилкование листьев, открывая возможности для биологии растений
Исследователям растений необходимо количественно оценивать реакцию растений на изменения окружающей среды и выводить сорта, способные адаптироваться к ним. Один из методов мониторинга такой реакции — изучение сетей жилок (жилкования) листьев. Эти сети влияют на фотосинтез всего растения и механические свойства листьев, а их структура различается у видов, эволюционировавших или выведенных в разных условиях.
Чтобы помочь в решении задачи быстрого анализа большого количества листьев, исследователи из Технологического института Джорджии разработали программу с поддержкой пользователя, которая извлекает макроскопическую структуру жилок напрямую из изображений листьев.
«Программное обеспечение можно использовать для идентификации генов, ответственных за ключевые признаки сети жилкования, и для проверки экологических и эволюционных гипотез относительно структуры и функции этих сетей», — заявил Джошуа Вайц, доцент Школы биологии Технологического института Джорджии.
Программа под названием Leaf Extraction and Analysis Framework Graphical User Interface (LEAF GUI) позволяет учёным и селекционерам измерять свойства тысяч жилок гораздо быстрее, чем ручные инструменты анализа изображений.
Подробности о программе LEAF GUI были опубликованы в разделе «Прорывные технологии» январского выпуска журнала Plant Physiology. Разработка ПО, доступного для скачивания на сайте www.leafgui.org, была поддержана Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и Burroughs Welcome Fund.
LEAF GUI — это инструмент с поддержкой пользователя, который принимает изображение листа и после серии интерактивных шагов по очистке изображения возвращает информацию о структуре сети его жилок. Измеряемые структурные параметры включают размеры, положение и связанность всех жилок, а также размеры, форму и положение всех безжилковых областей, называемых ареолами.
«Алгоритмы извлечения сети в LEAF GUI позволяют пользователям без технического опыта в анализе изображений количественно оценивать геометрию всей сети жилок листа, что раньше было сложной задачей из-за размера и сложности узоров жилкования», — сказал ведущий автор статьи Чарльз Прайс, работавший над проектом в качестве постдока в Технологическом институте Джорджии. Сейчас Прайс — доцент биологии растений в Университете Западной Австралии.
Хотя команда из Технологического института Джорджии сейчас использует ПО для извлечения информации о сети и ареолах из листьев, снятых в самых разных условиях, LEAF GUI также может применяться для других целей, например, для классификации и описания листьев.
«Поскольку программное обеспечение и исходный код находятся в свободном доступе, другие исследователи могут при необходимости модифицировать методы для решения конкретных задач или улучшения существующих подходов», — отметил Прайс.
LEAF GUI — не единственная программа, разработанная группой Вайца для изучения сетевых характеристик растений. В марте 2010 года группа Вайца стала соавтором ещё одной статьи в разделе «Прорывные технологии» журнала Plant Physiology, в которой описывался способ анализа сложной сети корней сельскохозяйственных растений, в частности риса.
Эта работа была выполнена в сотрудничестве с Анджали Айер-Паскуцци, Джоном Харрером и Филипом Бенфеем из Университета Дьюка и была поддержана DARPA, Национальным научным фондом (NSF) и Burroughs Welcome Fund.
«Обе эти программы являются инструментами, способствующими развитию растущей области "феномики растений", которая направлена на установление корреляции между функцией генов, продуктивностью растения и его реакцией на окружающую среду», — подчеркнул Вайц. — «Определяя характеристики жилкования листьев и структуры корней, которые различаются у растений, мы способствуем прогрессу в фундаментальной науке о растениях и, в случае сельскохозяйственных культур, помогаем исследователям идентифицировать и потенциально изменять гены для улучшения здоровья, урожайности и выживаемости растений».