Найден способ быстро и просто анализировать форму клеток эпидермиса листьев у растений

Сотрудники Института цитологии и генетики СО РАН совместно с российскими коллегами разработали программу LSM-W2, которая позволяет извлекать данные о морфологии поверхности листа из изображений, полученных с применением лазерного сканирующего микроскопа. С ее помощью можно обработать большой массив информации в сжатые сроки и на менее мощном компьютере. Статья о разработке опубликована в журнале BMC Systems Biology.

«Для того чтобы понимать фундаментальные механизмы, которые лежат в основе самоорганизации клеток в сложные структуры, исследователям важно дифференцировать типы клеток, видеть этот процесс в динамике, — объясняет один из авторов статьи, научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН, кандидат биологических наук Алексей Дорошков. — Существует множество модельных объектов, на которых можно одновременно наблюдать последовательность стадий развития органов. Например, у злаковых растений листья длительное время находятся в состоянии стационарного роста. Что это значит? Получается, что кончик листа уже содержит зрелые основные и специализированные клетки, сформировавшие так называемый паттерн (рисунок, закономерность их расположения), в то время как в нижней части все еще происходит образование новых клеток: здесь они еще не знают, какую функцию будут выполнять в ткани, идет процесс определения клеточной судьбы».

Данные о клетках собираются с помощью лазерного сканирующего микроскопа: он делает протяженный цифровой 3D-скан размером порядка нескольких сантиметров с разрешением менее одного микрона на один пиксель. Изображение содержит несколько оптических срезов, что дает исследователям возможность реконструировать трехмерную модель объекта. Получаются достаточно объемные файлы: фрагмент листа размером несколько миллиметров, отсканированный с высоким разрешением, весит примерно 10 Гб. Однако иногда для работы ученым нужны определенные клетки, а не вся информация из скана. Например, требуются данные о том, какие события, с какими клетками эпидермиса и с какой частотой происходили в процессе развития.

«Если человек вручную будет измерять это и считать, то он не скоро закончит, — говорит Алексей Дорошков, — нам нужно упрощать задачу: осуществлять автоматическую предобработку изображений. Алгоритм, который лег в основу программы, связан со структурированием множественных сканов. Микроскоп за единицу времени делает один маленький, условно говоря, кубик, он может сделать несколько таких "кубиков" вдоль изучаемого органа. Обработать полученные таким образом данные — масштабная задача: надо правильно расположить фрагменты, убрать шумы и выделить необходимый клеточный слой, который может быть произвольной формы».

Созданный коллективом авторов плагин позволяет перейти от трехмерной реконструкции к двухмерной структурной модели ткани, при этом он распознает нужные исследователям слои и клетки и визуализирует только их. Таким образом, с одной стороны, структурируется нужная информация, а с другой — уменьшается размер файлов, а значит, и необходимость в мощных вычислительных ресурсах.

Эта разработка в перспективе будет полезна в сельском хозяйстве при отборе линий растений, устойчивых к тем или иным условиям. Например, чтобы выявить влияние внешних условий на разные типы клеток и разные органы при оценке разных генотипов растений. «Можно собрать образцы листьев и проанализировать их клеточную архитектуру, а затем понять, нарушения какого типа у них произошли и в каком количестве, определить потенциально устойчивый генотип, который формировал вегетативную массу наиболее эффективно», — подводит итог Алексей Дорошков.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.