Структура цветов и других частей растений представляет собой богатый и сложный источник ботанической информации с большим потенциалом для ответа на множество таксономических, эволюционных и экологических вопросов. По мере того, как вычислительные подходы становятся все более важными в биологических исследованиях, возникает насущная необходимость перевести эту информацию в удобные цифровые данные для анализа. В исследовании, представленном в недавнем выпуске Applications in Plant Sciences, Филлип Клас и его коллеги усовершенствовали метод создания высококачественных трехмерных (3D) цифровых представлений структур растений. Они продемонстрировали эффективность этой техники, создав модели цветов трех видов семейства злаковых Poaceae.
Опыляемые ветром цветки трав, как известно, трудно изучать из-за их маленькой, компактной и скрытой структуры. «Травы часто недооценивают как цветковые растения. Таксономические ключи сложны, существует так много разнообразия, и, поскольку они опыляются ветром, цветы помечаются как «не эффектные», - сказал Клас, аспирант Университета штата Айова и ведущий специалист. автор исследования. Трехмерные цифровые изображения этих структур могут помочь студентам-ботаникам научиться определять различные виды трав по цветочной структуре. «Мое личное топ-приложение возвращает любовь к стандартной ботанике. Я действительно хочу помочь людям заинтересоваться выделением растений, особенно страшных растений, таких как травы и осоки», - сказал Клахс.
За пределами классной комнаты загадочные цветы трав имеют огромное экономическое значение, поскольку их правильное опыление приводит к производству таких зерен, как рис, пшеница и кукуруза.«Это может иметь огромные последствия для сельского хозяйства. Понимание завязывания семян и условий, при которых удобряются определенные зерна, имеет биологическую и экономическую ценность», - сказал Клахс. Он также указал на обратное применение, отметив, что «есть много сорняков, опыляемых ветром, и понимание их распространения и времени полового созревания также важно».
Техника, разработанная Клахом и его коллегами, включает получение изображений тонких срезов растительного материала с помощью светового микроскопа и преобразование этих двухмерных изображений в трехмерную модель с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР); анимацию этапов 3D-моделирования можно посмотреть в Видео. Этот метод имеет ряд преимуществ перед существующими методами создания 3D-моделей растительных структур, такими как оптическая фотограмметрия и рентгеновская томография. Это дешевле, чем рентгеновская томография, одновременно дает пригодные для использования предметные стекла микроскопа и, в отличие от оптической фотограмметрии, создает модель внутренней структуры цветка.
Биоинформатическая революция, охватившая ботанику за последние десятилетия, последовала за оцифровкой ботанической информации, такой как последовательности ДНК или белков. Анатомию и морфологию растений было сложнее представить в цифровом виде экономичным и точным способом. Но информация, содержащаяся в подробных изображениях анатомии растений, может ответить на вопросы, которые ДНК не может дать, например, об экологических детерминантах эффективного опыления ветром..
Техника, представленная в этом исследовании, помогает перенести морфологию растений в эпоху цифровых технологий. Представленные здесь высококачественные трехмерные цифровые изображения структур растений, однажды созданные, могут быть дешево и легко доступны ученым и преподавателям во всем мире для использования по своему усмотрению. Ученые, создающие эти модели, вероятно, не представляли себе всех возможных применений для них, как и данные о последовательности ДНК в прошлые десятилетия. Что касается Класа, то он «в настоящее время применяет систематический подход, используя 3D-модели для решения вопросов макроэволюции, с побочными преимуществами демонстрации того, насколько на самом деле красивы травяные цветы»."