ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ КРОНЫ РАСТЕНИЙ ПРИ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ФЕНОТИПИРОВАНИИ

10.Hansen P.M., Schjoerring J.K. Reflectance measurement of canopy biomass and nitrogen status in wheat crops using normalized difference vegetation indices and partial least squares regression. Remote Sensing of Environment. 2003. 86 (4). 542-553. 11.Shahryari R., Khayatnezhad M., Moghanlou B.S., Khaneghah A.M.P., Gholamin R. Response of Maize Genotypes to Changes in Chlorophyll Content at Presence of Two Types Humic Substances. Advances in Environmental Biology. 2011. 5(1). 154-156.

УДК 581.1:004.932 Б01 10.24411/0131-5226-2020-10240

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ КРОНЫ РАСТЕНИЙ ПРИ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ

ФЕНОТИПИРОВАНИИ

Е.Н. Ракутько

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

Структура кроны растения определяет особенности его взаимодействия со световой средой. На эффективность использования растением и ценозом в целом энергии оптического излучения непосредственно влияет ориентация листьев в пространстве. С позиций энергоэкологии светокультуры рассмотрен вопрос о возможности оптимизации светового поля под особенности структуры кроны. Показано, что решение этого вопроса лежит на пути использования достижений науки феномики как дисциплины на стыке биологии и информатики, которая решает задачи быстрой, точной оценки фенотипа растений как совокупности всех его признаков и свойств, сформировавшихся на основе генотипа в процессе развития во взаимодействии с условиями внешней среды. Показано, что работы лаборатории энергоэкологии ИАЭП лежат в русле феномного подхода. Обосновано применение инструментария феномики в совокупности с современными техническими средствами обеспечения параметров окружающей среды как основы технологий фотонного управления развитием растений. Показано, что несмотря на изменчивость листьев и структуры кроны у отдельных растений, возможна обобщенная характеристика кроны растений различного типа. Рассмотрен способ характеристики геометрической структуры кроны растений на основе светотехнической аналогии, конструкция установки для определения структуры кроны и программное обеспечение. На примере декоративных растений представленная классификация различных видов кроны.

Для цитирования. Ракутько Е.Н. Определение структуры кроны растений при их автоматизированном фенотипировании // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2020. № 2(103). С. 44-57

DETERMINING THE CROWN STRUCTURE OF PLANTS DURING THEIR

AUTOMATED PHENOTYPING

E.N. Rakutko

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSBSI FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

The plant crown structure determines specific features of plant interaction with the light environment. The spatial orientation of leaves directly affects the radiation use efficiency by the plant and biocenosis as a whole. The possibility to optimize the light field for the peculiarities of the crown structure was considered in terms of the energy and environmental compliance of the indoor plant lighting. The solution to this problem is found to lie in using the achievements of phenomics that is a cross-disciplinary area of research involving biology and data sciences. It addresses the quick and accurate assessment of a plant phenotype as a set of all traits and properties, which the plant produces based on its genotype throughout development and in response to environmental influences. The investigations of the laboratory of energy and ecology of IEEP are shown to be in line with the phenomic approach. Application of phenomic tools in combination with state-of-the-art equipment designed to ensure the environmental parameters is justified as the basis of photon-assisted control technologies for plant development. The study showed that despite the variety of crown structures of individual plants of the same species, the plant crowns can be classified by their type is possible. The study considered a method for characterizing the geometric structure of the plant crown by the analogy with spatial light distribution. The design of the installation for determining the crown structure and the relevant software was suggested. The classification of various types of crowns is exemplified by ornamental plants.

For citation: Rakutko E.N. Determining the crown structure of plants during their automated phenotyping. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2020. No. 2(103). 44-57 (In Russian)

Введение

Пространственное расположение

органов растения - его архитектоника -имеет большое значение как для устойчивости растения, укрепленного своими корнями в почве и имеющего значительную массу надземных органов, которая должна быть уравновешена относительно площади опоры, так и для эффективного улавливания света листьями [1]. Количество листьев, их расположение на стебле и ориентация в пространстве (структура кроны) оказывают

непосредственное влияние на

эффективность использования потока оптического излучения (ОИ), который в общем случаем может поступать к растениию по различным пространственным направлениям. Повышение эффективности использования энергии потока ОИ особенно актуально в условиях светокультуры, поскольку формирование требуемой световой среды растений является весьма энергоемким технологическим процессом.

Световая среда представляет собой поле ОИ естественного и (или) искусственного происхождения в некоторой части пространства (фитоценозе), характеризуемое рядом интегральных параметров

(направление, интенсивность, спектр излучения и т.д.) и оказывающее воздействие на биологические обьекты (растения). Световая среда является одной из важнейших компонент регулируемой агроэкосистемы, влияющей на

продукционный процесс растений [2]. При этом его эффективность напрямую зависит от применяемых источников излучения [3].

На освещенность листовых пластинок непосредственно влияет ориентация листьев в пространстве, формирующая определенное распределение энергии излучения в ценозе и, в конечном счете, определяющая структуру фотосинтетического аппарата растений, количество и качество их продукции [4]. Имеются опытные данные о зависимости структуры и эффективности функционирования фотосинтетического аппарата при изменении ориентации листьев, что имеет большое значение как для продукционных процессов растений, так и для установления специфических сортовых особенностей и может быть полезным для селекционеров при выведении новых сортов растений [5].

При фототропических движениях динамически устанавливается некоторое равновесное расположение листьев, определяющее структуру кроны. Листья растений располагаются в пространстве так, чтобы при недостатке света максимально собирать рассеянный свет, а при избытке уменьшать световое поглощение. Форма кроны очень чутко реагирует на условия радиационного режима. При

неблагоприятных условиях размер листа уменьшается, он может деформироваться. Листья, выросшие в условиях прямого интенсивного освещения, мельче и уже, чем у родственных видов из тенистых мест обитания. При этом у других, светолюбивых видов, только при наличии интенсивного и постоянного освещения могут развиваться хорошо сформированные листья, характерные для данного вида и сорта.

Приспособляемость растений к условиям освещения может играть и отрицательную роль, например, при выращивании декоративных растений, когда целью является формирование кроны заданной формы, имеющей эстетическое значение.

При всей изменчивости структуры кроны, тем не менее, можно выделить ее отдельные параметры, характерные именно для кроны данного типа. Решение этой задачи необходимо для повышения эффективности использования энергии ОИ путем согласования структур светового поля и пространственной геометрии кроны растения [6].

Обычно геометрическая структура фитоценоза характеризуется набором функций: площадью листьев в единице его объема на определенной высоте, относительной площадью листьев фитоценоза, пространственной ориентацией листьев [7]. Изложенные подходы к характеристике структуры растения не совсем удобны для целей оптимизации параметров радиационного режима растений.

Для изучения закономерностей потоков вещества и энергии в искусственной биоэнергетической системе светокультуры предложена концепция нового научного направления, находящегося на стыке экологии, физиологии растений и светотехники - энергоэкологии

светокультуры (ЭЭС), организована и функционирует соответствующая

лаборатория как научное структурное подразделение ИАЭП.

Исследования лаборатории ЭЭС направлены на изучение различных аспектов искусственной биоэнергетической системы светокультуры (ИБЭСС) как совокупности живых организмов и технологического оборудования в культивационном сооружении. Математическое описание

закономерностей переноса субстанции в светокультуре производится на основе иерархической модели ИБЭСС. Особое внимание уделяется закономерностям преобразования потоков вещества и энергии в ИБЭСС [8].

Важной практической задачей данного научного направления является обеспечение энергоэффективности светокультуры как одного из важнейших аспектов ее энергоэкологичности [9]. Поиск путей оптимизации светового режима, в том числе структуры светового поля, под особенности структуры кроны как элемента набора фенотипических характеристик растения является одной из задач лаборатории ЭЭС.

Целью данного исследования является выбор удобных для практического применения показателей геометрической структуры растений и разработка устройства для их измерений.

Фенотипирование - современная технология изучения растений

Поставленная цель и сопутствующие ей задачи находятся в тесной связи с другой областью науки, получившей бурное развитие в последнее время в связи с необходимостью анализа фенотипических характеристик в широкомасштабных генетических и селекционных

экспериментах у растений - феномикой. Это область науки на стыке биологии и информатики, которая решает задачи быстрой, точной оценки фенотипа растений как совокупности всех его признаков и свойств, сформировавшихся на основе генотипа в процессе развития во взаимодействии с условиями внешней среды. В ее основе лежит использование методов компьютерного анализа

изображений и интеграции биологических данных. Новые подходы позволяют за счет автоматизации существенно ускорить процесс оценки характеристик фенотипа, увеличить его точность, устранив

субъективизм, присущий человеку [10]. Особенностью феномики растений является необходимость учета широкого спектра условий внешней среды (температуры, влажности, освещенности, типа почвы и др.), в которой произрастают растения.

При проведении подобных масштабных экспериментов одним из узких мест является измерение фенотипических параметров растения.

В настоящее время фенотипирование растений базируется на основе искусственного интеллекта и цифровых технологий. Цифровое фенотипирование растений является ультрасовременной технологией получения комплексной информации о состоянии растения, его фенотипе.

При анализе растения в целом или его отдельных органов прежде всего важны параметры, характеризующие форму, размер, массу. Поэтому одним из важных направлений современной феномики является разработка методов

морфометрического анализа.

Использование компьютеризированных и роботизированных систем позволяет кратно снизить трудозатраты, необходимые для выполнения измерений по сравнению традиционной техникой исследователькой работы.

Современной тенденцией является использование вместо отдельных

измерительных приборов феномных платформ как единого измерительного центра. Благодаря модульной организации феномных платформы имеется возможность комплектования их новыми компонентами в соответствии с целями эксперимента [11].

Феномный подход выводит

исследования по светокультуре на принципиально новый научный и методический уровень. Применение инструментария феномики в совокупности с современными техническими средствами

обеспечения параметров окружающей среды предоставляет возможность создания технологий фотонного управления развитием растений.

Современные методы фенотипирования растений предоставляют новый мощный инструмент для изучения биологии растений. Применение самостоятельно построенных научными коллективами либо коммерческих платформ, созданных в последние несколько лет, позволяет использовать неразрушающие методы измерения в широком масштабе. Кроме того, современные платформы предлагают в высокой степени автоматизированные измерения [12].

Ключевым моментом

высокопроизводительных платформ

фенотипирования является предоставляемая ими возможность неразрушающего определения признаков растений. Это позволяет получать данные о динамике изменения параметров растения под действием факторов окружающей среды, что например, позволило измерять временные колебания транспирации у растения томата

Преимущественным способом

определения свойств растений является использование оптических методов. Растения взаимодействуют с оптическим излучением путем его поглощения, отражения или пропускания. В силу различия оптических свойств частей растения появляется возможность их идентификации [14].

Проводимые в лаборатории ЭЭС исследования, набор выполняемых лабораторных приемов и измеряемых параметров растений очень тесно связаны с подходами фенотипирования. На рисунке 1, по аналогии с платформой фенотипирования [15], представлены фиксируемые условия окружающей среды в проводимых в лаборатории экспериментах, а так же

определяемые фенотипические показатели растений.

В комплекс показателей окружающей среды входят агрохимические и физические показатели воздуха и субстрата - их температура и влажность; содержание питательных веществ и органического вещества в субстрате; показатели кислотностии и электропроводности. Показателями радиационного режима являются величина потока излучения источников; пространственное

распределение потока; распределение облученности на уровне верхушек растений, спектральный состав, закон изменения потока во времени.

*■■« г/оа

Вентиляция Температура Свет Влажность

Рис. 1. Феномный подход к исследованию растений

Определяемыми

фенотипическими

показателями являются физические и геометрические показатели: масса органов растения (листьев, стебля, корня), площадь листа каждого яруса и общая площадь листьев, длина междоузлий и обшая высота гипокотиля, диаметр шейки стебля. В состав физиологических показателей входят интенсивность фотосинтеза в листьях, их устьичная проводимость. Биохимический состав включает содержание сухого вещества, отдельных химических

соединений, в том числе хлорофилла и других пигментов. Оптические свойства

листьев определяются по мульти- и гиперспектральным данным.

Рассмотренный набор фенотипических показателей, определяемых в лаборатории ЭЭС не полон в части определения структуры и морфологии кроны. Для установления большего соответствия исследований феномному подходу служит проведенное исследование. Материалы и методы

Оценка расположения листьев в пространстве, необходимая для оптимизации параметров радиационного режима растения, производилась на специально сконструированном приборе

фитогониофотометре [16]. Общий вид и устройство прибора показаны на рисунке 2.

Механическая часть установки состоит из вертикальной 3 и горизонтальной 4 штанг, противовеса 8, станины 11, вертикального лимба 6, поворотного столика 10. Цифровой фотокамерой 5, закрепленной на горизонтальной штанге 4, под различными углами, отсчитываемыми по лимбу 6, производится фотографирование кроны исследуемого растения 7, установленного на поворотный столик 10. Изображение в виде кадра поступает через USB порт в персональный компьютер 1. От компьютера так же производится управление шаговыми двигателями: шаговый двигатель 2 обеспечивает поворот штанги 3 на заданный угол а; шаговый

двигатель 12 выставляет угол @ на поворотном столике 10, шаговый двигатель 9 позволяет подстроить высоту высоту

столика h под фитофотометрический центр (ФФЦ) растения [17]. Диапазон изменения углов в вертикальной плоскости составляет от -90о до +90о с шагом 1о. При существенно несимметричной кроне производится серия измерений при различных углах установки поворотного столика в пределах от 0о до 360о с шагом 1о.

Рис. 2. Устройство фитогониофотометра (пояснения в тексте)

Для обработки результатов

фотометрирования на языке Visual Basic была написана специальная программа. Окно измерительного модуля программы показано на рисунке 3.

Цифровые фотоснимки обрабатывались методами фотограмметрии.

Рис. 3. Окно программы

обработки областей на

Путем пороговой

производиось выделение фотоснимке с заданными координатами цветности в системе RGB с учетом разброса цвета листьев кроны [18].

Рис. 4. Цветовая модель RGB

Для этого на фотоснимке задавались точки, заведомо принадлежащие кроне растения. Для каждой точки формировался набор координат r, g, b как вектора в цветовом пространстве (рис.4). Разброс цвета точек кроны задает область направлений в цветовом пространстве. Алгоритм программы подразумевает вычисление площади кроны (ее миделевого сечения) по принадлежности цветовых координат каждой точки фотоснимка к заданной области направлений в цветовом пространстве:

r < r < Г

min x, y max Smin < Sx,y < gmax

< b ,, < A

Исследования проводились на примере одиночных декоративных растений (всего было исследовано 38 видов) с различной геометрической структурой. Использовались методы теоретической фотометрии и фотограмметрии. Данные обрабатывали методами математической статистики (p<0.05) с использованием пакетов программ Excel 2003 и Statistica 6.0. Результаты и обсуждение

Установлено, что характеристика геометрической структуры растения имеет прямую светотехническую аналогию. Из теоретической фотометрии известно, что

если

размеры 15

светящегося тела не

превышают расстояния до освещаемой поверхности, то такой источник можно принять за точку. От этой точки, называемой фотометрическим центром (ФЦ)

откладывают вектора сил света источника в различных направлениях. Получаемая в пространстве фигура - фотометрическое тело (ФТ). Для осесимметричного ФТ его сечение вертикальной плоскостью, проходящей через ФЦ называется кривой силы света (КСС) [19].

В исследованиях структуры кроны выявлено, что для произвольной кроны можно выделить ее геометрический центр (фитофотометрический центр, ФФЦ), от которого для каждого листа может быть отложен вектор, пропорциональный значению площади поверхности листа в данном направлении (т.е. его миделево сечение). Получаемую объемную фигуру в пространстве по аналогии с ФТ можно считать фитофотометрическим телом (ФФТ). Для осесимметричной кроны

сечение ФФТ вертикальной плоскостью, проходящей через ФФЦ можно считать кривой миделевого сечения (КМС, по аналогии с КСС) кроны [20]. У отдельных экземпляров растений даже одного вида количество листьев, их размер и ориентация различны. Производя статистический анализ, отдельные виды растений сгруппированы по схожести их КМС (табл.). Буквенные обозначения формы КМС выбраны по аналогии с обозначениями для схожих типовых КСС, принятых в светотехнике.

Традиционные способы

светотехнического расчета установок для облучения растений предусматривают создания нормируемой горизонтальной облученности. Однако при этом не учитывается форма кроны растения, которая, как правило, весьма различна у различных видов облучаемых растений и далеко не всегда может быть представлена горизонтальной поверхностью [21].

Группировка растений по форме кроны

Таблица

Растения

Характеристика кроны

Схема кроны

Форма КМС

Букв. обозн.

Xanthosoma, Maranta, Fatshedera

Горизонтально расположенные листья

Sansevieria,

Cereus, Haworthia, Stapelia

Вертикально расположенные листья

Coleus, Echinopsis, Caladium

Равновероятная ориентация листьев

Monstera, Codiaeum

Наклонное расположение листьев

Игнорирование соответствия потока излучения, генерируемого источниками света реальной форме листьев и их пространственной ориентации приводит к потерям, которые следует назвать фотометрическими потерями [22]. Их природа заключена в не полном соответствии пространственного

распределения потока от источника пространственным характеристикам

облучаемой поверхности [23]. Наибольший эффект в плане снижения фотометрических потерь следует ожидать при соответствии компоновочной схемы облучательной установки и пространственной структуры кроны растения. С учетом получаемых данных о структуре кроны, компоновочная схема облучательной установки может быть оптимизирована [24].

Разработанный подход для

характеристики геометрической структуры растений и лабораторный прибор для ее измерений может являтся отдельным элементом модульной платформы фенотипирования, расширяющей взожности лаборатории ЭЭС по определению динамики фенотипа растений, взаимодействующих с окружающей средой. Исследование этих процессов имеет важное значение для развития фундаментальной науки о растениях и ее практических приложениях в плане управления продуктивностью светокультуры.

Технология фенотипирование растений возникла относительно недавно и породила много новых возможностей для решения стоящих перед исследователями задач. Уже прошли или окончательно проходят те времена, когда имело смысл определять отдельные биометрические показатели растений в отрыве друг от друга и от динамики условий окружающей среды. В настоящее время необходим комплексный подход в исследованиях по светокультуре, опирающийся на феномику, необходимо

использование и конструирование компьютеризированных лабораторных

установок, внедрение новые технологии в научные исследования, разработка распределенных систем доступа и управления данными, которые обеспечат обмен данными и получение информации по экспериментам [25].

Сегодня на наших глазах происходит смена парадигмы в лабораторных исследованиях по светокультуре, внедрение прогрессивных методов неразрушающего анализа растений. Фенотипирование растений относится к количественному описанию анатомических,

онтогенетических, физиологических и биохимических свойств.

Основанное на анализе цифровых, в частности, гиперспектральных изображений, фенотипирование растений демонстрирует свою ценность не только в фундаментальной науке, но и в прикладных приложениях, обеспечивая количественную основу для описания взаимодействия растений и окружающей среды.

Ключ к успеху этой технологии является легкость анализа изображений в динамике, в процессе роста растений, что делает высокопроизводительное фенотипирование эффективно на соответствующих

онтогенетических стадиях развития растений [26]. Заключение

Архитектоника растения, особенно структура кроны, имеет большое значение для функционирование растительного организма во взаимодействии со световой средой. Ориентация листьев в пространстве определяет эффективность использования растением и ценозом в целом энергии оптического излучения. Несмотря на изменчивость листьев и структуры кроны у отдельных растений, возможна обобщенная характеристика кроны растений различного типа.

С позиций энергоэкологии

светокультуры рассмотрен вопрос о возможности оптимизации светового поля под особенности структуры кроны. Показано, что решение этого вопроса лежит на пути использования достижений науки феномики как дисциплины на стыке биологии и информатики, которая решает задачи быстрой, точной оценки фенотипа растений как совокупность всех его признаков и свойств, сформировавшихся на основе генотипа в процессе развития во взаимодействии с условиями внешней среды.

Показано, что работы лаборатории энергоэкологии лежат в русле феномного

подхода. Обосновано применение

инструментария феномики в совокупности с современными техническими средствами обеспечения параметров окружающей среды как основы технологий фотонного управления развитием растений.

На примере декоративных растений представленная классификация различных видов кроны. Предложеный способ характеристики геометрической структуры кроны растений на основе светотехнической аналогии может быть использован для оптимизации технологического процесса облучения в светокультуре путем согласования структр светового поля и кроны растения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

сельскохозяйственных систем // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2009. № 4. С. 89-92.

bottleneck // Trends in Plant Sci. 2011. V. 16. № 12. p. 635-644.

REFERENCES

agroekosisteme [Physical modeling of the light environment of plants in a controlled agroecosystem]. Reguliruemaya agroekosistema v rastenievodstve i ekofiziologii [Controlled agroecosystem in crop production and

ecophysiology]. Saint Petersburg: Petersburg Nuclear Physics Institute of RAS, 2007. 43-53. (In Russian)

napravlenie [Energy and ecology efficiency of indoor plant lighting as a new interdisciplinary research area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 90. 14-28. (In Russian)

photometry of the crown of plants]. Opticheskii zhurnal. 2009. Vol. 76. No. 2. 56-57. (In Russian)

izmenyayushchegosya klimata. Materialy Mezhdunarodnoi konferentsii, posvyashchennoi 80-letiyu Agrofizicheskogo NII [Trends in the development of agrophysics in a changing climate. Proc. Int. Conf. dedicated to 80* ann. of Agrophysical Research Institute]. 2012. 544548. (In Russian)