Паттерны и модели цветения некоторых видов семейства Campanulaceae Juss.


https://doi.org/10.18699/VJ18.33-o

Полный текст:


Аннотация

Настоящая работа посвящена фенологии индивидуального цветения и построению на ее основе структурно-динамических моделей этого процесса. Представлены результаты исследования фенологии цветения Campanula bononiensis, C. sarmatica и Platycodon grandiflorus. Полученные данные характеризуют фенологические признаки (время и продолжительность цветения, длительность жизни отдельного цветка) и структурные (степень ветвления соцветия, длина осей, число цветков, порядок их распускания), описывающие цветение монокарпического побега. Соцветия изученных видов удлиненные многоцветковые, относятся к характерному для Campanulaceae переходному типу и отличаются высокой вариабельностью всех структурных признаков. Результаты наблюдений были обработаны стандартными статистическими методами и использовались для построения стохастических компьютерных моделей цветения побегов, при этом пропуски в рядах наблюдений были восстановлены методом максимального правдоподобия. Выявлены паттерны цветения видов, обусловленные различиями фенологических и структурных признаков. Показано, что формы кривых цветения зависят от согласованности во времени распускания цветков на главной оси (1-го порядка) и боковых осях 2-го порядка. У C. bononiensis на кривой цветения отмечается один несимметричный пик с уширением слева, достигаемый при одновременном распускании цветков в верхней и нижней частях главной оси и на боковых осях в средней части соцветия, где цветки 1-го порядка уже отцвели (последние обеспечили уширение). У C. sarmatica и P grandiflorus кривые цветения двухмодальные, при этом первый пик обусловлен распусканием цветков на главной оси, а второй - на боковых осях. Полученные модели с естественной вариабельностью воспроизводят картину цветения побегов и могут применяться для моделирования цветения группы особей (популяции), например, при ландшафтном проектировании. В комбинации с внешними программами визуализации их можно использовать для заполнения баз данных изображений синтетических растений на разных стадиях развития, которые применимы, например, для обучения нейронных сетей в задачах фенотипиро-вания.


Об авторах

Э. С. Фомин
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики, Сибирское отделениеРоссийской академии наук
Россия

Новосибирск



Т. И. Фомина
Центральный сибирский ботанический сад, Сибирское отделениеРоссийской академии наук
Россия

Новосибирск



Список литературы

1. Афонников Д.А., Генаев М.А., Дорошков А.В., Комышев Е.Г., Пшеничникова Т.А. Методы высокопроизводительного феноти-пирования растений для массовых селекционно-генетических экспериментов. Генетика. 2016;52(7):788-803. DOI 10.7868/S001667581607002X.

2. Балобанова Н.П. Вариабельность распускания соцветий некоторых представителей семейства Campanulaceae Juss. Естеств. и техн. науки. 2017;10(112):11-14.

3. Викторов В.П. Морфология и основные направления эволюции соцветий в роде Campanula (Campanulaceae). Ботан. журн. 2000; 4(85):80-90.

4. Жмылев П.Ю., Карпухина Е.А., Жмылева А.П. Вторичное цветение: индукция и нарушение развития. Журн. общ. биологии. 2009;70(3):262-272.

5. Зайцев Г.Н. Фенология травянистых многолетников. М.: Наука, 1978.

6. Кузнецова T.B., Пряхина Н.И., Яковлев Г.П. Соцветия. Морфологическая классификация. СПб., 1992.

7. Левина РЕ. Репродуктивная биология семенных растений: Обзор проблемы. М.: Наука, 1981.

8. Растительные ресурсы СССР: Цветковые растения, их химический состав, использование. Семейства Hippuridaceae-Lobeliaceae. Отв. ред. П.Д. Соколов. СПб.: Наука, 1991.

9. Серебряков И.Г. Соотношение внутренних и внешних факторов в годичном ритме развития растений. Ботан. журн. 1966;51(7):923-938.

10. Федоров Ал.А., Артюшенко З.Т. Атлас по описательной морфологии высших растений. Соцветие. Л.: Наука, 1979.

11. Фомина Т.И. Биологические особенности декоративных растений природной флоры в Западной Сибири. Новосибирск: Акад. изд-во «Гео», 2012.

12. Халипова Г.И. Колокольчики. М.: АСТ, 2005.

13. Ausin I., Alonso-Blanco C., Martinez-Zapater J.-M. Environmental regulation of flowering. Int. J. Dev. Biol. 2005;49:689-705. DOI 10.1387/ijdb.052022ia.

14. Blionis G.J., Halley J.M., Vokou D. Flowering phenology of Campanula on Mt Olympos, Greece. Ecography. 2001;24:696-706.

15. Carranza-Rojas J., Goeau H., Bonnet P., Mata-Montero E., Joly A. Going deeper in the automated identification of herbarium specimens. BMC Evol. Biol. 2017;17:181. DOI 10.1186/s12862-017-1014-z.

16. Chuine I., Cour P., Rousseau D.D. Fitting models predicting dates of flowering of temperate-zone trees using simulated annealing. Plant Cell Environ. 1998;21:455-466.

17. Clark R.M., Thompson R. Estimation and comparison of flowering curves. Plant Ecol. Divers. 2011;4(2-3):189-200. DOI 10.1080/17550874.2011.580382.

18. Deussen O., Hanrahan P., Lintermann B., Mech R., Pharr M., Prusinkie-wicz P. Realistic modeling and rendering of plant ecosystems. Proc. of the 25th Annual Conf. on Computer Graphics and Interactive Techniques SIGGRAPH ‘98. Orlando, USA, 19-24 July, 1998;275-286. DOI 10.1145/280814.280898.

19. Erwin J. Factors affecting flowering in ornamental plants. In: Anderson N.O. (Ed.) Flower Breeding and Genetics (Issues, Challenges and Opportunities for the 21st Century). Springer, 2007;7-48.

20. Fomina T. Biomorphological peculiarities of flowering of some Campanula L. species under the culture. Proc. of the 9th Int. Conf. of Horticulture. Lednice, Czech Republic, 3-6 Sept. 2001;2:434-437.

21. Galassi M., Davies J., Theiler J., Gough B., Jungman G., Alken P., Booth M., Rossi F., Ulerich R. GNU scientific library reference manual (3rd ed.). 2009. http://www.gnu.org/software/gsl/

22. Ijiri T., Owada S., Okabe M., Igarashi T. Floral diagrams and inflorescences: Interactive flower modeling using botanical structural constraints. ACM Trans. Graph. 2005;24(3):720-726. DOI 10.1145/1073204.1073253.

23. Li L., Zhang Q., Huang D. A review of imaging techniques for plant phenotyping. Sensors. 2014;14(11):20078-20111. DOI 10.3390/s141120078.

24. Neubert B., Franken T., Deussen O. Approximate image-based treemodeling using particle flows. ACM Trans. Graph. 2007;26:3-8. DOI 10.1145/1276377.1276487.

25. Normand F., Habib R., Chadoeuf J. A stochastic flowering model describing an asynchronically flowering set of trees. Ann. Bot. 2002;90(3):405-415. DOI 10.1093/aob/mcf204.

26. Osawa A., Shoemaker C.A., Stedinger J.R. A stochastic model of balsam fir bud phenology utilizing maximum likelihood parameter estimation. Forest Sci. 1983;29(3):478-490.

27. Primack R.B. Patterns of flowering phenology in communities, populations, individuals, and single flowers. In: White J. (Ed.) The Population Structure of Vegetation. Handbook of Vegetation Science. Vol 3. Springer, Dordrecht, 1985;571-593. DOI 10.1007/978-94-009-5500-4_24.

28. Prusinkiewicz P., Hammel M., Mjolsness E. Animation of plant development. Proc. of SIGGRAPH 93. Anaheim, California, 1-6 August. 1993;351-360.

29. Rathke B., Lacey E.P. Phenological patterns of terrestrial plants. Annu. Rev. Ecol. Syst. 1985;16:179-214.

30. Scariot V, Seglie L., Gaiano W., Devecchi M. Evaluation of European native bluebells for sustainable floriculture. Acta Hortic. 2012;937:273-279. DOI 10.17660/ActaHortic.2012.937.33.

31. Tantau T. The TikZ and PGF packages. Manual for version 2.10. 2010. http://sourceforge.net/projects/pgf

32. Ubbens J., Cieslak M., Prusinkiewicz P., Stavness I. The use of plant models in deep learning: an application to leaf counting in rosette plants. Plant Methods. 2018;14:6. DOI 10.1186/s13007-018-0273-z.

33. Williams T., Kelley C. Gnuplot 4.6: an interactive plotting program. 2013. http://gnuplot.sourceforge.net

34. Zhang C., Gao H., Cousins J.Z.A., Pumphrey M.O., Sankaran S. 3D robotic system development for high-throughput crop phenotyping. IFAC-PapersOnLine. 2016;49(16):242-247. DOI 10.1016/j.ifacol.2016.10.045.

35. Zhang C., Ye M., Fu B., Yang R. Data-driven flower petal modeling with botany priors. Proc. of the IEEE Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). Columbus, USA, 23-28 June. 2014;636-643.

36. Zheng Q., Fan X., Gong M., Sharf A., Deussen O., Huang H. 4D reconstruction of blooming flowers. Comput. Graph. World. 2017; 36(6):405-417. DOI 10.1111/cgf.12989.


Дополнительные файлы

Просмотров: 50

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)