VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Физиология и биохимия растений – наука о жизненных явлениях, которые происходят в растительных организмах. Она ставит своей целью тщательное и полное познание жизнедеятельности растений и протекающих в них процессов. Это дает возможность целенаправленно изменять ход данных процессов и тем самым управлять всей жизнью растений с целью получения наибольшего количества необходимых нам продуктов.

Физиология и биохимия растений должна не просто описывать процессы, которые происходят в организме, но и объяснить их механизмы, взаимосвязи одного с другим. В связи с этим физиология растений – наука экспериментальная. Главный метод изучения – эксперимент (опыт). Только ставя опыты, при разных условиях, можно изучить процесс. Однако важным является не только проведение эксперимента, но и правильный анализ результатов. Ранее все это делалось «вручную», именно поэтому часто возникали ошибки, требующие повторного проведения опыта. Вместе с этим, при применении в исследованиях некоторых методик, например, электрофореза, имела место субъективная оценка автором своих результатов, что приводило к их недостоверности.

Широкое использование в физиологии растений, как и в других разделах биологии, информационных технологий привело к тому, что вышеуказанные проблемы стали нечастыми. Даже удивительно насколько стремительно они внедрились в науку. Физиология и биохимия растений не исключение. Еще 10 лет назад многие методики требовали многочасового анализа результатов, в настоящее время необходимо всего лишь ввести данные, а программа все сама подсчитает, проанализирует, а в некоторых случаях даже сделает выводы.

Неотъемлемой частью научной работы стало использование информационных ресурсов Интернета. Следует отметить, что Интернет является незаменимым источником информации, в нем существует большое количество научных баз данных, в которых хранится самая разнообразная информация, касающаяся физиологии и биохимии растений.

Кроме узкоспециализированных программ, предназначенных для статистической обработки результатов экспериментов, для анализа хроматографических, спектрофотометрических и электрофоретических данных, широкое применение находят некоторые программы пакета Microsoft Office, такие как Word, Excel, PowerPoint.

Компания Phoretix выпустила программу TotalLab 1.10. TotalLab – пакет всестороннего анализа полос и пятен. Программа предназначена для обработки результатов и всестороннего анализа одномерных форезов, различных массивов на планшетах и в лунках, а также колоний на чашках. Исходным является изображение в несжатом .tif. формате, также можно ввести изображение со сканера [6].

При запуске программы открывается окно (рис. 1), предлагающее выбрать тип дальнейших действий, включающих анализ 1D гелей, массивов, проведение подготовки изображения к анализу, получение изображения с помощью сканера, обращение к уже существующим изображениям, также при необходимости можно воспользоваться помощью в освоении программы

В физиологии и биохимии растений широко применяется метод гель-электрофореза, предназначенный для качественного и количественного определения белков в различных экстрактах. В результате таких экспериментов получается окрашенный гель, на котором можно увидеть различные пятна различной величины, это и есть белки, которые сконцентрировались в различных местах геля в зависимости от их молекулярной массы. Гель фотографируется или сканируется, в дальнейшем необходимо проанализировать полученные результаты. Выбрав пункт Analyse a 1D image можно приступать к обработке результатов гель-электофореза.

Необходимо выбрать изображение, с которым исследователь в дальнейшем будет работать, как уже указывалось оно должно быть сохранено в .tif формате.

Открывшееся окно программы содержит заголовок окна, строку операционного меню и рабочую зону, в которой находятся различные инструментальные панели и строка состояния (рис. 2). Рабочая зона поделена на 3 части: в левом окошке отображено изображение геля, в правом после начала анализа будет построен график интенсивности пятен. Также в нижней части окна будет присутствовать таблица, характеризующая количественные параметры геля.

Следующим шагом является выбор режима работы – автоматического (значок Analyse) или ручного (значок Manual).

Для большего контроля над анализом изображений можно прибегнуть к ручному режиму, необходимо использовать кнопку Next или Refine, чтобы получить доступ к стадиям процедуры анализа. Необходимо нажать иконку Create для выявления полос автоматически или полуавтоматически. Ручной режим используется в том случае, когда изображение геля искажено, либо полосы геля не ровные. Поправки могут быть внесены в отдельные полосы или в целые их наборы.

Полностью автоматический анализ выявления полос и их групп может осуществляться путем выбора значка Analyse [8].

Программа автоматически разделяет гель на полосы и отмечает все пятна, а также оценивает их площадь. В правом окне находится график, отображающий интенсивность пятен данной полосы. Двигая мышкой в области графика можно заметить ползунок, и при наведении его на пик графика, можно отметить на геле соответствующее пятно. В нижней части окна находится таблица, содержащая информацию о размере каждого из пятен данной полосы геля (рис. 3).

По завершению автоматического анализа иконки для различных его стадий отображаются в Навигаторе по проведению анализа [7]. Он содержит следующие опции:

• Lane Creation – позволяет выделять необходимую часть изображения, редактировать форму и ширину индивидуальных полос.

• Background Subtraction – позволяет изменять параметры фона.

• Band Detection – допускает выделение области пятен, редактирование их размеров, выделение ранее не отмеченных программой пятен. Данные операции могут быть проведены либо в окне Analysis либо непосредственно на изображении, без изменения исходных данных. Опции Contrast и Color могут быть использованы для выделения и увеличения видимости полос. Опция Detect автоматически определит края полосы и группы полос.

• Molecular size Calibration – обеспечивает построение калибровочного графика, если есть необходимость оценить молекулярную массу какого-либо белка. Программное обеспечение TotalLab дает возможность точного определения молекулярного веса материала из различных 1D гелей. Инструменты были разработаны, так чтобы дать точный контроль калибровки даже самых искаженных изображений 1D геля [7].

• Quantity Calibration – позволяет калибровать группы полос на геле по известным объемам, также возможен учет нелинейных эффектов окрашивания. Стандартная кривая в результате получена, и программное обеспечение автоматически вычисляет значения для неизвестных.

• Normalisation – позволяет использовать известные значения или выражать диапазоны в виде процентной доли или пропорции долей одной или нескольких отобранных групп полос.

Понять и освоить программу (даже не изучая руководство) достаточно просто, этому способствует дружественный интерфейс. Из полезных свойств хотелось бы еще отметить наличие банка маркеров для анализа одномерных форезов (который можно пополнить самому), т.е. нет необходимости каждый раз калибровать маркер. Для массивов можно использовать встроенные и создавать свои разметочные решетки. Удаление фона и обсчет характеристик полосы тоже очень удобны. Результаты выводятся в табличку, которую можно сохранить в виде .txt. файла или переслать в MS Exсel. Графическое изображение можно сохранить в .bmp. формате [6].

Отметим интернет-ресурсы предметной области, необходимые для настоящего исследования:

1. http://biopedia.ru - энциклопедия биологии. Содержит краткую информацию о различных биологических объектах и процессах, однако, материал хорошего уровня. Позволяет быстро найти информацию, интересующую специалиста.

2. http://elibrary.ru– научная электронная библиотека. Содержит 11095910 статей на русском и английском языке во всех областях науки, каталог журналов, книг, ссылки на сайты, новости. Очень полезный сайт для всех, кто ищет новейшую информацию в своей области исследований. Простая навигация. Необходима регистрация.

3. www.biotechnolog.ru - web-учебник по биотехнологии. Подробно рассматриваются различные направления данного раздела биологии, применительно и к физиологии и биохимии растений. Содержит исчерпывающую информацию по многим вопросам. Можно отметить один отрицательный момент – неприглядный дизайн. Удобный поиск обеспечивает карта сайта.

4. www.rusbiolog.ru - содержит подробную информацию по различным разделам биологии, в том числе ботанике, селекции, физиологии и анатомии человека. Удобная карта сайта. Также на сайте можно найти новости, научные статьи, в том числе новые, рефераты в данных областях биологии.

5. http://sbio.info/- научно-образовательный портал «Вся биология». Содержит следующие новости науки, учебные материалы, биологический словарь, фотогалерею, форум, касающийся различных вопросов биологии. Красочное оформление, хорошая навигация, большой объем материала оставляют очень приятное впечатление о сайте.

6. http://sci-lib.com - большая научная библиотека. На данном сайте можно найти новости всех областей науки, каталог, содержащий одно из самых крупных собраний научной литературы, в том числе на английском языке, научных статей. Возможен заказ статьи из ведущих журналов на английском языке. Содержит полезные для пользователей ссылки на различные сайты.

7. www.konferencii.ru - открытый каталог научных конференций, выставок, семинаров и других научных мероприятий. Содержит подробную информацию по любому из представленных на сайте событий. Очень удобный поиск. Данный сайт будет полезен как студентам, так и научным деятелям.

8. http://wikipedia.org/ - свободная многоязычная энциклопедия. В ней можно найти большое количество информации в любой области, в том числе и во все разделах биологии. Большое количество гиперссылок способствует быстрому поиску статей.

9. www.scintific.narod.ru - каталог научных ресурсов. Содержит ссылки на научные поисковые системы, электронные архивы, источники бесплатной литературы во всех областях науки. Положительные стороны: много полезной информации и легкая навигация.

10. www.ebio.ru - электронный учебник по биологии. Можно найти информацию по всем разделам биологии, изложенную очень доступно. Быстрый поиск информации.

В физиологии и биохимии растений для получения статистически достоверных результатов необходимо проведение нескольких серий экспериментов. В случае исследования характеристик объектов, то количество повторов должно быть не менее 2-х десятков. Разумеется, что все полученные данные необходимо обработать, представить графики или диаграммы, рассчитать статистические характеристики. Очень удобными для этого являются такие программы, как Microsoft Excel и Statistika.

Как пример специальных программ, широко применяемых в физиологии и биохимии растений, была рассмотрена программа обработки результатов гель-электрофореза TotalLab.

С каждым годом расширяется спектр применения информационных технологий в данной области биологии, что существенно облегчает работу научных деятелей, а также увеличивает объем полученных результатов, что обеспечивает ускорение развития физиологии и биохимии растений. Литература

1. Степанов А.Н. Информатика: Учебник для вузов. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 684 с.

2. Информатика: Практикум по технологии работы на компьютере/ Под. ред. Макаровой Н.В. – 3-е изд. перераб. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 256 с.

3. Соболь Б.В. Информатика: учебник. 3-е изд., дополн. и перераб. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 446 с.

4. Боровиков, В.П. Популярное введение в программу STATISTICA. - М.: КомпьютерПресс, 1998. - 267 с.

5. http://www.exponenta.ru/soft/Statist/statistica5_5/1/1.asp

6. http://www.nonlinear.com/products/totallab/

7. http://www.biosystematica.com/totallab.pdf

 

Код для цитирования: Скопировать