Математика/4. Прикладная математика

К.т.н. Хливненко Л.В., к.ф.-м.н. Васильев В.В., д.б.н. Калаев В.Н.

Воронежский государственный технический университет, Россия
Воронежский государственный университет, Россия

Уточнение зоны локализации ядрышек в клетках растений

В настоящее время для выявления пороговых концентраций химических мутагенов и низких доз радиации применяется ядрышковый тест (изменении количественных и качественных характеристик ядрышек) [1]. Ядрышко представляет собой производное хромосомы, один из её локусов, активно функционирующий в интерфазе клеточного цикла эукариот. Оно формируется в результате транскрипции многократно повторенных рибосомных генов, которые собраны в кластеры в специализированных участках хромосом – ядрышкообразующих районах [2].

Преимущество ядрышкового теста перед другими методами оценки генотоксичности поллютантов связано с тем, что влияние воздействующих агентов фиксируется по изменениям функциональной активности генома клеток, а не по структурным перестройкам кариотипа [1]. При проведении ядрышкового теста необходимо изготовить микропрепараты растений и проанализировать их на световом микроскопе. Одной из задач является подсчет числа ядрышек в интерфазных клетках. Решение этой задачи исследователем «вручную» без использования автоматизированных программных средств является трудоемкой и сопровождается большой зрительной нагрузкой. Таким образом, актуальной является задача автоматизации элементов цитогенетического мониторинга окружающей среды.

Специализированные программные решения задач цитогенетического мониторинга будут способствовать повышению качества принятия решений, поскольку позволят обработать больше статистического материала и получить на его основе практически достоверные выводы.

В данной работе описан алгоритм автоматического уточнения зоны локализации компактных ядрышек на примере клеток корневой меристемы проростков желудей дуба черешчатого. Исследования были проведены на 32 полях зрения микропрепаратов клеток.

На рис. 1 слева расположена фотография одного из образцов, а справа результат автоматической локализации ядрышек. Локализованные ядрышки выделены на рисунке белым цветом.

Рис.1. Результат автоматической локализации ядрышек в клетках корневой меристемы проростков желудей дуба черешчатого.

Блок первоначальной локализации ядрышек описан авторами в работе [3]. Оригинальное изображение поступает на вход системы в градациях серого цвета и подвергается цветовой фильтрации в процессе анализа тоновой составляющей. Наиболее темные зоны на изображении выделяются черным цветом, темные – синим, светлые – желтым, наиболее светлые – белым.

Локализация ядрышек начинается с поиска черных точек. Затем черных горизонталей и вертикалей. Центр максимально длинной горизонтали и вертикали в зонах скопления черных точек определяет центры и размеры эллипсов, являющихся моделями ядрышек.

В процессе уточнения локализованных зон происходит слияние пересекающихся эллипсов и отбрасывания артефактов в виде скопления нескольких темных точек.

После завершения первичной локализации выделенные зоны «вытравливаются» из копии оригинального изображения в процессе заливки белым цветом. После чего выполняется новая итерация описанного выше алгоритма автоматической локализации ядрышек. Цветовая гамма изображения при этом изменяется и происходит автоматическое выделение новых более светлых ядрышек, пропущенных на первом этапе локализации.

Рис.2. Программное решение задачи автоматической локализации ядрышек.

Для проведения исследования разработано приложение в свободно распространяемой среде программирования Lazarus. Программное решение предусматривает обработку каталога изображений. При обработке каждого изображения происходит подсчет количества локализованных ядрышек. Информация о координатах центров эллипсов, о размерах полуосей, о вычисленных площадях выводится в текстовые файлы. По завершению обработки каталога сводная информация о средних диаметрах ядрышек и средних их площадях выводится в общий файл отдельными строками по каждому полю зрения.

Литература:

1. Архипчук В.В. Использование ядрышковых характеристик в биотестировании / В.В. Архипчук // Цитология и генетика. - 1995. - Т. 29, № 3. - С. 6-9.

2. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию / Ю.С. Ченцов. - М.: Академкнига, 2004. - 495 с.

3. Хливненко Л.В. Автоматическая локализация ядрышек в клетках растений / Л.В. Хливненко, В.В. Васильев, В.Н. Калаев // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы XIV межд. науч.-метод. конф., 6-8 февраля 2014 г. : в 4 т. – Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2014. – Т.1, - С. 547-549.