Виртуальные модели раскрывают тайны злаков

Структуры цветков и других частей растений содержат богатую и сложную ботаническую информацию, способную ответить на множество таксономических, эволюционных и экологических вопросов. По мере того как вычислительные методы становятся центральными в биологических исследованиях, возникает насущная потребность перевести эту информацию в удобный для анализа цифровой формат. В исследовании, опубликованном в Applications in Plant Sciences, Филип Клас и его коллеги усовершенствовали метод создания высококачественных трёхмерных (3-D) цифровых моделей структур растений. Они продемонстрировали эффективность этой техники, создав модели цветков трёх видов из семейства злаков (Poaceae).

Опыляемые ветром цветки злаков печально известны своей сложностью для изучения из-за мелких, компактных и скрытых структур. «Злаки часто недооценивают как цветковые растения. Таксономические ключи сложны, разнообразие огромно, а поскольку они опыляются ветром, их цветки считаются "непримечательными"», — говорит Клас, аспирант Университета штата Айова и ведущий автор исследования. 3-D модели этих структур могут помочь студентам-ботаникам научиться определять разные виды злаков по строению цветка.

Помимо учебных целей, загадочные цветки злаков имеют огромное экономическое значение, так как их правильное опыление приводит к производству зерновых культур, таких как рис, пшеница и кукуруза. «Это может иметь огромные последствия для сельского хозяйства. Понимание условий завязывания семян и оплодотворения определённых зерновых ценно как с биологической, так и с экономической точки зрения», — отмечает Клас.

Метод создания моделей

Разработанная техника включает:

1. Получение изображений тонких срезов растительного материала с помощью светового микроскопа.
2. Реконструкцию этих двумерных изображений в 3-D модель с использованием программного обеспечения для компьютерного проектирования (CAD).

Этот метод имеет несколько преимуществ перед существующими подходами (оптическая фотограмметрия, рентгеновская томография):

• Он дешевле, чем рентгеновская томография.
• Одновременно производит пригодные для использования микропрепараты.
• В отличие от оптической фотограмметрии, позволяет создать модель внутренней структуры цветка.

Значение для ботаники

Биоинформационная революция последних десятилетий в ботанике последовала за оцифровкой информации, такой как последовательности ДНК или белков. Анатомию и морфологию растений было сложнее представить в цифровом виде точно и экономически эффективно. Однако информация, содержащаяся в детальных моделях анатомии растений, может ответить на вопросы, недоступные для ДНК-анализа, например, об экологических детерминантах эффективного ветроопыления.

Представленная техника помогает продвинуть морфологию растений в цифровую эпоху. Созданные высококачественные 3-D модели могут быть дёшево и легко распространены среди учёных и преподавателей по всему миру. Авторы, создающие эти модели, вероятно, не представляют всех потенциальных способов их использования — подобно данным последовательностей ДНК в прошлом.

Сам Клас в настоящее время использует 3-D модели для решения макроэволюционных вопросов, попутно демонстрируя, что «цветки злаков на самом деле очень красивы».