Введение
Глава 1 Общая характеристика листогрызущих насекомых
1.1 Типы повреждения листовых пластинок
1.2 Краткая характеристика основных групп листогрызущих фитофагов-вредителей
1.2.1 Характеристика семейства долгоносики (Curculionidae)
1.2.1.1 Бороздчатый долгоносик (Otiorhychus sulcatus F.)
1.2.2 Характеристика семейства совки (Noctuidae)
1.2.2.1 Капустная совка (Mamestra brassicae)
1.2.2.2 Капустная белянка (Pieris brassicae)
1.2.3 Характеристика семейства пилильщики (Diprionidae)
1.2.3.1 Розанный пилильщик (Arge rosae L.)
1.2.3.2 Розанный слизистый пилильщик (Caliroa aethiops F.)
1.2.3.3 Розанный гребенчатоусый пилильщик (Cladius pectinicornis)
1.2.4 Характеристика семейства минирующие мухи (Agromyzidae)
1.2.4.1 Разноядный минер (Phytomiza atricornis Mgn)
Глава 2 Обзор программных пакетов обработки и анализа растровых изображений используемых в профессиональной научной детельности
Глава 3 Материалы и методы исследований
Глава 4 Результаты и их обсуждение
Заключение
Список литературных источников
ВВЕДЕНИЕ
Анализ природно-климатических условий нашей страны, фактической ситуации плодоводческих хозяйств и источников литературы в данном аспекте позволяет заключит, что проблема сохранения декоративных древесно-кустарниковых видов растений может быть успешно решена при условии эфективной защиты от вредных объектов. Обязательным звеном данной стратегии является объективная оценка роли фитофагов в снижении жизнедеятельности и продуктивности этих насаждений. Однако, несмотря на ежегодную значительную поврежденность плодовых и декоративных культур комплекс вредителей-филлобионтов все еще требует детального изучения [13]. Определение размерных характеристик тех или иных объектов является задачей, с которой биологи сталкиваются при проведении исследований в области морфометрии, цитометрии и иных биологических, медико-биологических, агробиологических и биоэкологических разделов науки. Таким образом, использование информационных технологий для оценки роли насекомых-фитофагов и биоэкологическое обоснование мер борьбы с ними являются несомненно актуальным.
Цель работы: проанализировать возможность определения некоторых морфометрических показателей и степени поврежденности листовых пластинок декоративных древесно-кустарниковых растений насекомыми-филлобионтами средствами специализированных программных пакетов для обработки и анализа растровых изображений.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Охарактеризовать основных листогрызущих насекомых; выделить типы повреждения листовых пластинок листогрызущими насекомыми-фитофагами; провести обзор программных пакетов для обработки и анализа растровых изображений листовых пластинок, поврежденных насекомыми-филлобионтами; обработать листовые пластинки, поврежденные насекомыми-филлобионтами, используя растений программные продукты LPSQUARE V1.8, ADOBE PHOTOSHOP CS6 EXTENDED, IMAGEJ V. 1.45S.
Исходя из целей и задач исследования нами были проведены обработка и анализ и оценка степени поврежденности листовых пластинок декоративных древесно-кустарниковых растений.
Объектом исследования являлись листовые пластинки декоративных древесно-кустарниковых растений, поврежденные насекомыми-филлобионтами.
Предмет исследования – специализированные программные пакеты для обработки и анализа растровых изображений листовых пластинок, поврежденных насекомыми-филлобионтами.
ГЛАВА 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИСТОГРЫЗУЩИХ НАСЕКОМЫХ
Листогрызущие насекомые относятся к эколого-хозяйственной группе «хвое- и листогрызущие насекомые». В литературе эта группа называется также «насекомые-филлофаги». Питаются они тканями листьев и в активных фазах развития ведут открытый образ жизни. Только сравнительно небольшая часть их в фазе личинки живет внутри листьев, минируя их [9, 12].
Листогрызущие насекомые характеризуются рядом биологических черт, определяющих резкие колебания численности и возникновение вспышек массового размножения в насаждениях, где условия наиболее благоприятны для их жизни. Благодаря открытому образу жизни насекомые в активных фазах развития подвергаются непосредственному воздействию климатических факторов, благоприятствующих их питанию, росту, развитию, расселению и размножению или вызывающих большую смертность. Кроме того, они легко уязвимы для врагов и часто в большом количестве уничтожаются птицами, хищниками, паразитами, а также погибают от болезней.
В фазе личинки (гусеницы) насекомые этой группы питаются листвой, а в фазе взрослого насекомого используют нектар цветков или не питаются совершенно. В связи с этим все процессы жизнедеятельности у взрослого насекомого протекают в основном за счет тех резервных питательных веществ, которые были накоплены в жировом теле личинки. Накопление этих веществ у личинок (гусениц) зависит от времени их отрождения и сроков питания, в период которого листья могут иметь различный биохимический состав тканей. Особенности питания личинок обусловливают изменчивость плодовитости и выживаемости потомства. Для всех массовых листогрызущих насекомых характерна очень высокая потенциальная плодовитость и кучность откладки яиц. Большинство листогрызущих насекомых обладает хорошо развитыми локомоторными функциями, способно к дальнейшим и быстрым перелетам, приспособлено к пассивному переносу ветром (гусеницы монашенки, непарного шелкопряда и краснохвоста разносятся ветром). Для ряда представителей этой группы, в частности чешуекрылых, характерна способность к концентрации расселяющейся фазы [11,12].
Преобладающее большинство листогрызущих насекомых имеет одногодичный жизненный цикл. При определенных экологических условиях большинство представителей этой группы впадает в диапаузу, которая возникает на разных фазах развития.
По характеру питания листогрызущих насекомых можно разделить на две группы. Одна группа видов специализирована на питании растениями весной,
ГЛАВА 2 ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ ПАКЕТОВ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА РАСТРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ НАУЧНОЙ ДЕТЕЛЬНОСТИ
Определение размерных характеристик тех или иных объектов является задачей, с которой биологи сталкиваются при проведении исследований в области морфометрии, цитометрии и иных биологических, медико-биологических, агробиологических и биоэкологических разделов науки. Современные информационные технологии позволяют оперативно получать высокого качества цифровые изображения, которые впоследствии представляется возможным анализировать как визуально, так и с привлечением современного инструментария, включая соответствующее программное обеспечение. В настоящее время многие программные продукты могут использоваться для вышеуказанных целей. Для систематических цитометрических и морфометрических исследований целесообразным будет использование специализированных программ, имеющих статус свободно распространяемого программного обеспечения (freeware) – lpSquare и ImageJ, для эпизодического решения разовых задач – надстройки к графическому редактору Adobe Photophop CS [8, 10].
Программа lpSquare предназначена для вычисления площади фигур любой конфигурации. Для дальнейшего статистического анализа полученных данных, представляется целесообразным сформировать выборки, сгруппированные по величине площади листовых пластинок, а также по хронологии регистрации мин в течение вегетационного сезона.
Программы для анализа и обработки изображений ImageJ разработана организацией «Национальные Институты Здравоохранения США» (National Institutes of Health, USA). В процессе усовершенствования программного кода ImageJ дал начало нескольким самостоятельным продуктам, таким как Image SXM (программа для анализа изображений полученных со сканирующего электронного микроскопа) и Scion Image for Windows являющейся портированной версией NIH Image, работавшей исключительно на базе операционной системы Macintosh. Программа ImageJ предназначена для анализа и обработки цифровых изображений, при этом, особо следует отметить, что приоритетными областями ее применения являются медицина, биология и химия. Программный продукт распространяется по принципам лицензирования «Freeware», т.е. является бесплатным. Программа реализована на базе Java Virtual Machine v.1.4, в виду чего, является мультиплатформенной, т.е. совместимой с наиболее популярными, операционными системами, такими как MacOS X, Linux и Windows. По умолчанию ImageJ v.1.45S поддерживает
ГЛАВА 3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследования являлись листовые пластинки декоративных древесно-кустарниковых растений: Cоrnus аlba, поврежденные Antispila metalella и Phytomiza agromyzina; Chaemoneles japonica поврежденные Lyonetia prunifoliella.
Свидина белая, также свида белая, дёрен белый, теликрания белая (Cоrnus alba) – вид растений родом из Сибири, входящий в род Кизил (Cornus) семейства Кизиловые (Cornaceae). Сильно ветвистый кустарник до 3 м высотой с прямыми гибкими голыми ветвями ярко-красного цвета (особенно яркими в весеннее время), к старости дуговидно изогнутыми.
Листья супротивные, 2—10 см длиной и 1 – 7 см шириной, на черешках около 1 см длиной, с тремя – пятью выделяющимися дуговидными жилками. Листовая пластинка эллиптической или широкоэллиптической формы, цельнокрайная, с обеих сторон покрыта коротким прижатым (иногда немного отстоящим) опушением, сверху тёмно-зелёная, снизу сизоватая. Цветки собраны в густые щитки 3 – 5 см в диаметре на концах ветвей. Цветоножки покрыты густым прижатым сероватым и немногочисленным длинным рыжеватым опушением. Чашечка с острыми короткими (0,1 – 0,3 мм длиной) зубцами широкотреугольной формы. Венчик с четырьмя белыми лепестками широколанцетной формы, 4 – 5 мм длиной. Плоды – ягодовидные костянки, незрелые – синеватые, при созревании – голубовато-белые, сплюснутые [1, 2].
Хеномелес японский, или айва японская (Chaenomеles japоnica) – вид двудольных цветковых растений, включённый в род Хеномелес (Chaenomeles) семейства розоцветные. Листопадный кустарник, не превышающий 3 м в высоту. Молодые ветки зелёные, затем становящиеся чёрно-бурыми, сначала чешуйчато-войлочные, затем голые. Почки голые, чёрные. Листья в очертании обратнояйцевидные или лопатчатые, 3 – 5 см длиной и 2 – 3 см шириной, суженные к основанию, с тупозубчатым краем. Черешки голые, около 5 мм длиной. Прилистники фасолевидные, зазубренные. Цветки от розовых до оранжево-красных, 3 – 4 см в диаметре. Чашелистики яйцевидные или почти округлые, с внутренней стороны покрытые буроватым опушением, опадающие при плодоношении. Лепестки обратнояйцевидные или почти округлые. Тычинки в количестве 40 – 60, пестики сросшиеся в основании, не превосходящие по длине тычинки. Плод – почти шаровидное яблоко жёлтого цвета около 4 см в диаметре со множеством коричневых семян. Съедобен, однако жёсток и менее популярен для приготовления варенья, чем плод айвы продолговатой [1, 2].
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Многие насекомые-филлофаги обитают внутри листьев, хвоинок, стеблей, молодых побегов и проделывают в них особые повреждениях растений, ходы, или «мины». Название связано со старинным значением слова «мина» – подкоп, скрытый ход. Живут они весьма скрытно, и результат их деятельности становится заметен слишком поздно.
Если насекомых мало, минирование особо не сказывается на состоянии растений. Поврежденные листья теряют естественные цвет и форму, преждевременно опадают. У дерева, которое «минируют» несколько лет подряд, может засохнуть верхушка или часть кроны, снижается устойчивость к стволовым вредителям – оно долго не проживет. Молодые деревья могут погибнуть в год массового повреждения листвы минерами.
Минирующие насекомые защищены растительными тканями, им не страшны содержащиеся в воздухе загрязнители. Испарение воды с поверхности листьев защищает минера от экстремально высоких температур, а хорошая теплопроводность тканей – от экстремально низких. Эти вредители относительно редко гибнут от нападений хищников и паразитов, а изолированность их личинок препятствует распространению болезней. Поэтому на любом растении – от подорожника до двухсотлетней лиственницы живет хотя бы один вид минеров. Они встречаются среди жуков, двукрылых и перепончатокрылых насекомых, однако подавляющее большинство минеров – бабочки.
Мину всегда выедает личинка, но сначала на растение должно прилететь взрослое насекомое и отложить яйцо. Личинки многих минеров не выходят на поверхность листа, а вгрызаются в него прямо через стенку яйца. Мина получается абсолютно закрытой – ее входное отверстие скрыто оболочкой яйца. Через неделю оно зарастает, и личинка становится полностью изолированной от внешнего мира.
Личинка выедает ткань листа, лист становится тоньше, и поврежденный участок четко выделяется пятном на листовой пластинке. Однако пятна на листе свидетельствуют не только о наличии минеров. Например, часто это могут быть пятнистости грибного, вирусного или бактериального происхождения. Кроме того, каждый вид минеров делает мину, характерную лишь для него. Но все же мины можно определить по некоторым простым признакам. Если личинка выедает ткань листа только перед собой, прокладывая узкий ход, такую мину называют змеевидной, или лентовидной (яблоневая минирующая моль). Она расширяется постепенно, часто сильно извивается, расположена вдоль жилок или края листа. Некоторые минеры частично
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Успешное развитие декоративных растений во многом зависит от правильного выращивания. При неблагоприятных условиях произрастания они болеют не паразитными заболеваниями, при этом падает устойчивость и к заражению вредителями. От повреждений вредителями снижается декоративность растений и часто они погибают. Защита от повреждений должна строиться на сочетании методов борьбы с вредителями и знания биологии вредителей и болезней, а также использования передовых научных технологий. Современные информационные технологии позволяют оперативно получать высокого качества цифровые изображения биологических объектов, которые впоследствии представляется возможным анализировать как визуально, так и с привлечением современного инструментария, включая соответствующее программное обеспечение. В настоящее время многие программные продукты могут использоваться для анализ относительных показателей повреждений, наносимых насекомыми-филлобионтами на основе абсолютных величин.
В курсовой работе проанализирована возможность определения некоторых морфометрических показателей и степени поврежденности листовых пластинок декоративных древесно-кустарниковых растений насекомыми-филлобионтами средствами специализированных программных пакетов для обработки и анализа растровых изображений. Охарактеризованы основных группы листогрызущих насекомых для оценки степени повреждений листьев декоративных растений выделены типы повреждения листогрызущими насекомыми-фитофагами.
1. Андреев, К.А. Озеленение городов и поселков / К.А. Андреев. – Петрозаводск: Карелия, 1985. – 165 с.
2. Атрохин, В.Г. Лесная хрестоматия / В.Г. Атрохин, Е.Д. Солодухин. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 399 с.
3. Биологическая защита растений: учебник / И.Т. Король, В.И. Сидляревич, Н.А. Таран, А.В. Свиридов. – Мн.: Ураджай, 2000. – 414с.
4. Голод, Д.С. Растительные ресурсы Беларуси, их состояние и рациональное использование / Д.С. Голод // Природные ресурсы. – 1999. – № 1. – С. 88–101.
5. Информатика как наука об информации : информационный, документальный технологический, экономический, социальный и организационный аспекты / Под ред. Р. С. Гиляревского. М.: Фаир-Пресс : ГРАНД. – 2006. – 591 с.
6. Краснобаев, В.А., Демьянчик А.П. Разработка автоматизированной системы экологического мониторинга для исследования биогеоценоза западного склона Хамар-Дабана // Вестник ИрГТУ, 2006. - № 2 (26). С.92-102.
7. Плавильщиков, Н.Н. Наши насекомые / Н.Н. Плавильщиков. – М.: Учпедгиз, 1960. – 386с.
8. Романовский Ю. М. Математическое моделирование в биофизике / Ю. М. Романовский, Н. В. Степанова, Д. С. Чернавский. М.: Наука. – 1975. – 343 с.
9. Радкевич, В. А. Экология листогрызущих насекомых / В.А. Радкевич. – Минск, 1980. – 28с.
10. Сауткин, Ф. В. Использование программных средств анализа цифровых изображений для определения размерных характеристик биологических объектов: учеб.-метод. пособие / Ф. В. Сауткин. – Минск: БГУ, 2013. – 28 с.
11. Справочник вредителей плодовых и ягодных культур : справочное издание / Э. И. Хотько [и др.]. ¬ Мн. : БелЭн, 2005. ¬ 264 с.
12. Стручаев, В. В. Скрытоживущие членистоногие-филлофаги деревьев и кустарников, интродуцированных на юге среднерусской возвышенности / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук / В.В. Стручаев; ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» - Белгород, 2013. – 20 с.
13. Состояние природной среды Беларуси. Экологический бюллетень // НАН Беларуси [Электронный ресурс]. – 2006. – Режим доступа: http://nasb.gov.by/publications/ecobull//index.html. – Дата доступа: 26.04.2016.
14. Танский, В.И. Вредоносность насекомых и методы ее изучения / В.И. Таранский. М., 1975. – 67 с.
15. Эпова, В.И. Наблюдение за хвое- и листогрызущими насекомыми/ В.И. Эпова. Сибирский вестник экол. образования. 2001. № 3-4 С.30-32с.
16. Фомин С.В. Математические проблемы в биологии / С. В. Фомин, М.Б. Беркинблит: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.library.biophys.msu.ru/FominBerk/main.htm#ogl30 – Дата доступа: 28.04.2016.
