Растительные ресурсы, 2019, T. 55, № 4, стр. 501-515
Исследование полнозернистости семян Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis (Cupressaceae) методом микрофокусной рентгенографии для определения их посевных качеств
А. В. Карамышева 1, *, Л. П. Трофимук 2, Н. С. Прияткин 3, М. В. Архипов 3, Л. П. Гусакова 3, Н. Н. Потрахов 4, В. Б. Бессонов 4, П. А. Щукина 4, 5
1 ФГБУН Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук (БИН РАН)
г. Санкт-Петербург, Россия
2 Научно-опытная станция “Отрадное” Ботанического института (БИН РАН) им. В.Л. Комарова Российской Академии наук
Ленинградская область, Россия
3 ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский институт
г. Санкт-Петербург, Россия
4 ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
“ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)
г. Санкт-Петербург, Россия
5 ФГБНУ Северо-Западный центр междисциплинарных проблем продовольственного обеспечения
г. Санкт-Петербург–Пушкин, Россия
* E-mail: koroviaav@mail.ru
Поступила в редакцию 07.04.2019
После доработки 30.07.2019
Принята к публикации 28.08.2019
Аннотация
Статья посвящена исследованию полнозернистости семян Platycladus orientalis (L.) Franco и Thuja sutchuenensis Franch. с целью определения их посевных качеств методом микрофокусной рентгенографии в сочетании с автоматическим анализом цифровых рентгеновских изображений. Семена Platycladus orientalis были получены из национального парка “Тянь-Шань”, Урумчи, Китай (Tianshan forest park, Urumchi, China) в октябре 2016 г., семена Thuja sutchuenensis – из Zhong Wei Horticultural Products Company, Юбин, Сычуань, Китай (Yibin, Sichuan, China). В результате анализа скрытых дефектов семян Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis установлено, что пустые (невыполненные) и частично выполненные семена, по сравнению с нормально развитыми, имеют достоверно пониженные значения показателя средней яркости рентгенограмм (на 26–30 и 9–10 единиц, соответственно). Оценка веса семян исследуемых видов показала, что пустые (невыполненные) и частично выполненные семена, по сравнению с нормально развитыми, имеют достоверно более низкие значения этого показателя (на 0.011–0.013 и 0.003–0.006 г, соответственно). Абсолютная и грунтовая всхожесть семян Platycladus orientalis составили 78 и 43%, семян Thuja sichuenensis – 43 и 20%. На основе анализа связи характеристик цифровых рентгеновских изображений семян исследованных видов, их веса и посевных качеств установлено, что показатель средней яркости рентгенограмм имеет достоверную умеренно тесную связь с всхожестью семян Platycladus orientalis и Thuja sichuenensis (r = 0.67 и 0.44, соответственно), вес семян – более слабую – r = 0.60 и 0.29.
Виды голосемянных растений, семена которых взяты для исследования, в условиях Северо-Запада России фактически представлены единичными растениями. Platycladus orientalis (L.) Franco представлен тремя особями, растущими на территории Санкт-Петербургского Ботанического сада им. Петра Великого БИН РАН на участках 77, 82 и 97 и тремя растениями в городских посадках г. Санкт-Петербурга на ул. Орбели (60°00′16.9″ N 30°20′29.7″ E).
Thuja sutchuenensis Franch. представлена двумя растениями на частных участках в Приозерском районе Ленинградской области (60°35′18.2″ N 30°11′16.0″ E и 60°50′17.7″ N 30°05′56.7″ E). Эти растения выращены из черенков, полученных из Daba Mountains, Чунцин, Китай в 2012 г. В природных условиях Thuja sutchuenensis произрастает в горных условиях до высоты 2100 м [1]. В опытных посадках выживает на высоте до 2250 м [2]. Эти условия сопоставимы с нашей климатической зоной. Оценка жизненного состояния известных нам растений по В.А. Алексееву – 1 [3]. Оценка зимостойкости по П.И. Лапину – 1 [4, 5]. В условиях Санкт-Петербурга и Ленинградской области некоторые из известных нам растений плодоносят. Это перспективные виды для озеленения городов и зеленого строительства.
На территории научно-опытной станции “Отрадное” БИН РАН в 2016 г. начаты работы по выращиванию этих растений в условиях Ленинградской области (60°48′59.7″ N 30°13′31.0″ E). Растения выращиваются из тех же партий семян, что изучаются в данной работе.
Рентгеновский метод оценки качества семян древесных лесных пород подробно описан как в зарубежной, так и отечественной литературе. M. Simak и A. Gustafsson, в 1953 г. на базе метода рентгенографии разработали методику изучения внутреннего строения семян древесных пород с целью анализа полиэмбрионии зародышей, их индивидуальной и географической изменчивости, а также выбраковки пустых и поврежденных [6]. В 70-е гг. E.W.Jr. Belcher [7] и J.W. Duffield [8] показали эффективность рентгенографического метода для оценки содержания влаги и потенциальной жизнеспособности желудей дуба черешчатого (Quercus robur L.). S.K. Kamra в 1973 году была показана эффективность рентгенографии для выявления пустозернистости, скрытой поврежденности насекомыми, механических повреждений и других дефектов при исследовании семян тропических видов древесных растений [9]. Дальнейшее развитие рентгенографического метода позволило получать цифровые изображения семян древесных пород и использовать современные программные средства для их обработки и анализа. Это сделало возможным отделять жизнеспособные и нежизнеспособные семена на основании данных об оптической плотности их внутренних структур, а также определять их анатомическую зрелость [10]. Результаты показали высокую информативность рентгенографического метода в сочетании с визуальным определением отслоения семядолей друг от друга и от околоплодника при оценке степени десикации желудей дуба черешчатого и прогнозирования их способности к прорастанию [11]. К.Г. Ткаченко были проведены исследования по рентгенографическому анализу семян пихты цельнолистной, яблони пурпурной и орешков шиповника морщинистого [12]. Показана высокая информативность метода для оценки полнозернистости семян и скрытой зараженности вредителями. При сопряженном исследовании всхожести и рентгеновских изображений семян нескольких видов древесных лесных пород Саудовской Аравии выявлена высокая эффективность рентгенографии при выявлении недоразвитости эндосперма [13].
В Агрофизическом институте (Санкт-Петербург) показана информативность метода визуального рентгенографического анализа цифровых рентгеновских изображений для выявления пустозернистости семян ели европейской [14] и автоматического анализа цифровых рентгеновских изображений желудей дуба черешчатого для обнаружения микротрещин и энзимо-микозного истощения [15]. Установлена взаимосвязь рентгенографических характеристик и ростовых показателей (длина ростка) желудей дуба черешчатого.
Действующий на настоящий момент ОСТ 56-94-88 “Семена древесных пород. Методы рентгенографического анализа” нуждается в обновлении в связи с развитием инструментальных рентгеновских технологий – переход от “пленочной” к цифровой рентгенографии.
Цель работы: исследование полнозернистости семян Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis методом микрофокусной рентгенографии с автоматическим анализом цифровых рентгеновских изображений для прогноза их посевных качеств.
В процессе исследования планировалось выявить и проанализировать скрытые дефекты образцов семян исследуемых видов, выполнить оценку веса семян, определить их посевные качества, изучить связь характеристик цифровых рентгеновских изображений семян, их веса и посевных качеств.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Объектами исследований служили семена Platycladus orientalis, полученные из Tianshan forest park, Urumchi, China в октябре 2016 г. и Thuja sutchuenensis, полученные из Zhong Wei Horticultural Products Company, Yibin, Sichuan, China в декабре 2015 г.
Для реализации метода микрофокусной съемки семян специалистами Агрофизического научно-исследовательского института и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина) разработан совместно аппаратно-программный комплекс на основе передвижной рентгенодиагностической установки ПРДУ-02 для контроля качества семян. Организация-разработчик и предприятие-изготовитель: ЗАО “ЭЛТЕХ-Мед”, Санкт-Петербург, Россия [16]. В состав установки ПРДУ-02 входят: рентгенозащитная камера для проведения рентгенографических работ; источник рентгеновского излучения моноблочного типа РАП70М-0.1Н-1; приемник рентгеновского изображения на основе многофункционального портативного плоско-панельного детектора для цифровой рентгенографии; управляющая рабочая станция с универсальным программным обеспечением для анализа цифровых рентгеновских изображений семян. Коэффициент увеличения изображения составлял 3.0× для рентгеновской съемки.
Программная обработка цифровых изображений семян осуществлялась в программе ARGUS-BIO. Анализировался параметр “Средняя яркость”, единицы яркости [17]. Масса индивидуальных семян оценивалась с использованием лабораторных весов VLTE-150, с точностью 0.001 г.
Семена были высеяны в апреле 2018 г. в ящики с искусственным грунтом, состоящим из раскисленного торфа, песка и вермикулита в соотношении 2 : 1 : 1. Проращивание проводилось при температуре 16–20 °С и естественном освещении. Проращивались только те семена, для которых были получены цифровые рентгеновские изображения, приведенные в статье. Каждая из исследуемых партий содержала 100 семян. Семена были посеяны без предварительной стратификации после обработки оригинальным регулятором прорастания семян N-8B в течении 20 часов при 18–20 °С. Регулятор прорастания разработан для ускоренного проращивания семян длительного покоя [18] и полностью заменяет предлагаемую в литературе стратификацию в течении 30–45 дней [19].
В статье приводятся также данные по всхожести семян из тех же партий, полученные за 3 года на территории научно-опытной станции “Отрадное” БИН РАН. Посев проводился в аналогичных условиях: семена высевались на гряды после обработки оригинальным регулятором для прорастания семян N-8B. Для испытаний был использован субстрат, состоящий из раскисленного торфа, песка и садовой земли в соотношении 1 : 1 : 1.
Статистический анализ выполнен с использованием непараметрических методов статистики: критериев Kruskal-Wallis ANOVA & Median Test и рангового коэффициента корреляции Спирмана.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгеновские изображения семян Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis представлены на рис. 1 и 2. Данные по всхожести семян представлены в таблице 1. Выявлено, что абсолютная и грунтовая всхожесть составили 78 и 43% у семян Platycladus orientalis и 43 и 20% у семян Thuja sutchuenensis, соответственно.
Таблица 1.
Вид Species |
Полнозернистость
семян, % Fullness of seeds, % |
Абсолютная
всхожесть,% Absolute germination, % |
Грунтовая всхожесть, % Field germination, % |
---|---|---|---|
Platycladus orientalis | 55 | 78.2 | 43.0 |
Thuja sutchuenensis | 46 | 43.5 | 20.0 |
В табл. 2 приведены данные по всхожести из тех же партий семян, полученные за 3 года испытаний на территории научно-опытной станции “Отрадное” БИН РАН. Как видно из табл. 2, данные по всхожести семян сопоставимы с данными полученными при проращивании образцов семян после рентгенографии.
Таблица 2.
Год Year |
Опыт Experiment |
Platycladus orientalis | Thuja sutchuenensis | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Число семян Number of seeds |
Абсолютная всхожесть, % Absolute germination,% |
Грунтовая всхожесть, % Field germination, % |
Число семян Number of seeds |
Абсолютная всхожесть, % Absolute germination,% |
Грунтовая всхожесть, % Field germination, % |
||
2016 | 1 | – | – | – | 215 | 43.0 | 19.8 |
2 | – | – | – | 645 | 44.6 | 20.5 | |
2017 | 1 | 243 | 83.6 | 46.0 | 210 | 41.5 | 19.1 |
2 | 243 | 82.9 | 45.6 | 900 | 46.1 | 21.2 | |
2018 | 1 | 300 | 78.5 | 43.2 | 215 | 40.4 | 18.6 |
2 | 220 | 76.9 | 42.5 | 215 | 41.1 | 18.9 | |
Средние значения Averages |
80.5 | 44.3 | – | 42.8 | 19.7 |
При визуальном анализе цифровых рентгенографических изображений семена Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis были разделены на 3 группы: пустые (невыполненные) – группа 0, частично выполненные (недовыполненные) – группа 1, нормально развитые – группа 2.
У обоих изученных видов показатель средней яркости цифровых рентгенографических изображений семян трех выделенных качественных групп обнаруживает достоверные различия (рис. 3). Средняя яркость изображений частично выполненных и пустых семян по сравнению с нормально развитыми снижается соответственно на 10 и 30%. Вес отдельных семян Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis, относящихся к разным группам, также достоверно различается (рис. 4). В данном случае различия более выраженные – соответственно 14–23 и 45–46%.
По величине всхожести различия всех выделенных групп семян выявлены только у Platycladus orientalis (рис. 5a). Всхожесть нормально развитых семян составила ~80% и была в 2.7 раза выше, чем всхожесть частично выполненных. У Thuja sutchuenensis группы частично выполненных (1) и нормально развитых (2) семян по этому показателю достоверно не различаются (рис. 5b). Всхожесть нормально развитых семян Thuja sutchuenensis оказалась в 2 раза более низкой, чем у Platycladus orientalis, при этом всхожесть частично выполненных семян у двух видов достоверно не различается.
На основе корреляционного анализа (табл. 3) установлено, что показатель яркости изображений и вес семян Platycladus orientalis имеют среднюю степень связи с их всхожестью (r = 0.67 и 0.60). У Thuja sutchuenensis связь этих параметров является, хотя и достоверной, но очень слабой (r = 0.44 и 0.29). Следует отметить, что у обоих видов параметр яркости цифровых изображений более тесно связан со всхожестью, чем вес семян.
Таблица 3.
Характеристика Characteristic |
Platycladus orientalis | Thuja sutchuenensis |
---|---|---|
Всхожесть, % Germination, % |
||
Средняя яркость, ед. Average brightness, units |
0.67 (p < 0.05) | 0.44 (p < 0.05) |
Вес отдельных семян, г Weight of individual seeds, g |
0.60 (p < 0.05) | 0.29 (p < 0.05) |
Проблема сопоставления рентгеновских и морфофизиологических характеристик семян является сложной по ряду причин, как технического, так и биологического свойства, а именно:
– цифровые рентгеновские изображения семян были получены только в одной проекции. Вместе с тем было показано, что при изменении положения зерновки при рентген-съемке, визуализация и, соответственно, количественная оценка дефекта может быть отличной от первоначальной [20];
– биологически полноценные семена также могут быть гетерогенны по показателям энергии прорастания, всхожести и силы роста [21]. Причина такого разнообразия связана, в частности, с различиями морфологических показателей зародыша, которые могут быть идентифицированы как рентген-позитивные признаки [22]. В этом случае необходим количественный анализ цифровых рентгеновских изображений, с использованием методов классификации снимков [23, 24].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате анализа скрытых дефектов семян двух видов древесных растений Platycladus orientalis и Thuja sutchuenensis методом микрофокусной рентгенографии в сочетании с автоматическим анализом цифровых рентгеновских изображений установлено, что пустые (невыполненные) и частично выполненные семена, по сравнению с нормально развитыми, имеют статистически достоверно пониженные значения показателя средней яркости рентгенограмм на 26–30 и 9–10 единиц соответственно.
Оценка веса семян исследуемых видов показала, что пустые (невыполненные) и частично выполненные семена имеют достоверно более низкие значения этого показателя на 0.011–0.013 и 0.003–0.006 г соответственно.
Определение посевных качеств семян стандартными методами (всхожесть) показало, что абсолютная и грунтовая всхожесть семян Platycladus orientalis составила соответственно 78 и 43% и была более высокой, чем всхожесть семян Thuja sutchuenensis – 43 и 20%. Всхожесть нормально развитых семян Platycladus orientalis (~80%) примерно в 2 раза превышает их всхожесть у Thuja sutchuenensis; существенных различий во всхожести частично выполненных семян (22–30%) у двух видов не наблюдается.
На основе анализа связи яркости цифровых рентгеновских изображений семян исследованных видов, их веса и посевных качеств установлено, что показатель средней яркости рентгенограмм имеет достоверную, но умеренно тесную связь с их всхожестью – r = 0.67 (Platycladus orientalis) и r = 0.44 (Thuja sutchuenensis), вес семян – более слабую: r = 0.60 и 0.29, соответственно. Показатели связи у Platycladus orientalis достоверно выше, чем у Thuja sutchuenensis.
Приведенные данные позволяют сделать заключение, что метод микрофокусной рентгенографии в сочетании с автоматическим анализом цифровых рентгеновских изображений может являться эффективным дополнительным инструментом для оперативного выявления дефектных семян древесных пород и стать основой для создания промышленных сортировщиков (сепараторов) семян для нужд лесного семеноводства.
Список литературы
Tang C.Q., Yang Y., Ohsawa M., Momohara A., Yi. S-R., Robertson K., Song K., Zhang S.-Q., He L.-Y. 2015. Community Structure and Survival of Tertiary Relict Thuja sutchuenensis (Cupressaceae) in the Subtropical Daba Mountains, Southwestern China. – PLoS One. 10(4): e0125307. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0125307
Zunji Jian, Ma Fanqiang, Guo Quanshui, Pei Shunxiang, Qin Aili, Xiao Wenfa, Zhao Zhilu. 2017. Responses of Survival and Growth of Thuja sutchuenensis Reintroduction Seedlings to Altitude Gradient . – Scientia Silvae Sinicae. 53(11): 1–11. (In Chinese) https://doi.org/10.11707/j.1001-7488.20171101
Алексеев В.А. 1989. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев. – Лесоведение. 4: 51–57.
Лапин П.И., Сиднева С.В. 1973. Оценка перспективности интродукции древесных растений по данным визуальных наблюдений. – В сб. научных трудов: Опыт интродукции древесных растений. М. С. 7–67.
Лапин П.И. Калуцкий К.К., Калуцкая О.Н. 1979. Интродукция лесных пород. М.: Лесная промышленность. 224 с.
Simak M., Gustafsson A. 1953. X-ray photography and sensitivity in forest tree species. – Hereditas. 39 p. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1953.tb03430.x
Belcher E.W.Jr., Bozzo I. 1979. Radiographic analysis of agricultural and forest tree seeds. AOSA Handbook 31. 29 p.
Duffield J.W. 1973. New techniques for reading seed radiographs save time. – Tree Planter’s Notes. 24(3): 14. https://rngr.net/publications/tpn/24-3/pdf.2005-06-21.9168784267/at_download/file
Kamra S.K. 1976. Use of X-ray radiography for studying seed quality in tropical forestry. – Studia Forestalia Suecica. 131: 1-34. https://pdfs.semanticscholar.org/cbb3/ab11d227fe5136c1535004ad84bc90a8baf5.pdf
Sahlen K., Bergsten U., Wiklund K. 1995. Determination of viable and dead Scots pine seeds of different anatomical maturity after freezing using IDX method. – Seed Sci. Technol. 23(2): 405–414.
Goodman R.C., Jacobs R.C., Karrfalt R.P. 2005. Evaluating desiccation sensitivity of Quercus rubra acorns using X-Ray image analysis. – Can. J. For. Res. 35(12): 2823–2831. https://doi.org/10.1139/X05-209
Ткаченко К.Г. 2016. Рентгенографический метод определения качества репродуктивных диаспор и выявления в них вредителей.– В сб.: Материалы Всерос. конф. с международным участием “Мониторинг и биологические методы контроля вредителей и патогенов древесных растений: от теории к практике”. Красноярск. С. 226–227. http://forest.akadem.ru/Konf/2016/IF_a/conference_proc_18-22_04_16.pdf
Al-Turki T.A., Baskin C.C. 2017. Determination of seed viability of eight wild Saudi Arabian species by germination and X-Ray tests. – Saudi Journal of Biological Sciences. 24(4): 822–829. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2016.06.009
Архипов М.В., Прияткин Н.С, Бондаренко А.С. 2013. Применение методов мягколучевой рентгенографии и газоразрядной визуализации для оценки качества семян ели европейской. – Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 31: 62–66.
Прияткин Н.С., Бутенко О.Ю., Шабунин Д.С., Архипов М.В., Гусакова Л.П., Бойцов А.А., Потрахов Н.Н., Староверов Н.Е., Саввина К.А. 2018. Исследование рентгеновских и газоразрядных характеристик желудей дуба черешчатого для оценки их посевных качеств. – Труды Санкт-Петербургского НИИ Лесного хозяйства. 2: 4–17. http://journal.spb-niilh.ru/pdf/2-2018/spbniilh-proceedings-2-2018-1-full.pdf
Архипов М.В., Демьянчук А.М., Великанов Л.П., Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю., Потрахов Е.Н. 2009. Патент РФ № 85292, МПК А01С 1/02. Устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян. Бюл. № 22.
Пантелеев В.Г., Егорова О.В., Клыкова Е.И. 2005. Компьютерная микроскопия. М.: Техносфера. 303 с.
Карамышева А.В., Фирсов Г.А., Трофимук Л.П., Орлова Л.В. Особенности и способы семенного размножения кедового стланика (Pinus pumila (Pall.) Regel, Pinaceae) в Санкт-Петербурге. Вестник удмуртского университета. Серия биология. Науки о Земле. 2019 Т. 29, вып. 2: 181–189. http://journals.udsu.ru/biology/article/view/4433/4227
Bonner F.T., Brand G.J. 2008. Platycladus orientalis (L.) Franco. In: The Woody Plant Seed Manual. Agriculture Handbook 727: 854–855. https://www.fs.fed.us/rm/pubs_series/wo/wo_ah727.pdf
Grundas S., Velikanov L., Archipov M. 1999. Importance of wheat grain orientation for the detection of internal mechanical damage by the X-Ray method. – Int. Agrophysics. 13(3): 355–361. http://www.international-agrophysics.org/Importance-of-wheat-grain-orientation-for-the-detection-of-internal-mechanical-damage,106971,0,2.html
Савин В.Н., Архипов М.В., Баденко А.Л., Иоффе Ю.К., Грун Л.Б. 1981. Рентгенография для выявления внутренних повреждений и их влияние на урожайные качества семян. – Вестник сельскохозяйственной науки. 10: 99–104.
Дерунов И.В. 2004. Рентгенографическое исследование семян различных сельскохозяйственных культур и продуктов их переработки. Дис. … канд. биол. наук. СПб. 116 с.
Narvankar D.S., Singh C.B., Jayas D.S., White N.D.G. 2009. Assessment of soft X-ray imaging for detection of fungal infection in wheat. – Biosystems engineering. 103(1): 49–56. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2009.01.016
Прияткин Н.С., Архипов М.В., Гусакова Л.П., Бойцов А.А., Потрахов Н.Н., Староверов Н.Е., Щукина П.А., Капусткина А.В. 2018. Автоматический анализ и классификация цифровых рентгеновских и газоразрядных изображений семян пшеницы, поврежденных клопом – вредная черепашка, для прогноза их посевных качеств. – Известия СПб ГЭТУ ЛЭТИ. 6: 60–67. https://izv.etu.ru/assets/files/6_2018_p060-067.pdf
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Растительные ресурсы