EGZAKT MINŐSÍTŐ ÉS OSZTÁLYOZÓ RENDSZER FEJLESZTÉSE NÖVÉNYNEMESÍTÉSI ÉS NÖVÉNYKÓRTANI VIZSGÁLATOKHOZ DEVELOPING EXACT QUALITY AND CLASSIFICATION SYSTEM TO PLANT IMPROVEMENT AND PHYTOPATHOLOGY Berke József 1 - Fischl Géza 1 - Gergely László 2 - Polgár Zsolt 1 Dongó Anita 1 1 - Veszprémi Egyetem, Georgikon Mezőgazdaságtudományi Kar, Keszthely berke@georgikon.hu, fischl-g@georgikon.hu, polg-zs@georgikon.hu, dongo@georgikon.hu 2 Országos Mezőgazdasági Minősítő Intézet, Budapest, gergelyl@ommi.hu 1. Bevezetés Az EMOR (Egzakt minősítő és osztályozó rendszer fejlesztése növénynemesítési és növénykórtani vizsgálatokhoz digitális képfeldolgozás alkalmazásával - IKTA-00101/2003, a program támogatója a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal) elnevezésű kutatási program célja olyan burgonya minősítő rendszer kidolgozása, amely szubjektív ítéleteket nem vagy minimális mértékben tartalmaz, és illeszkedik az EU és a hazai előírásokhoz. Segíti a fajtaérték-meghatározás objektívebbé és pontosabbá tételét az eddig használatos, bonitálásos módszer részbeni leváltásával. A kutatási program céljai: - Olyan minősítő rendszer kidolgozása, amely szubjektív ítéleteket nem vagy minimális mértékben tartalmaz - Illeszkedik a jelenlegi és a csatlakozás utáni EU és a hazai előírásokhoz - A fajtaérték-meghatározást objektívebbé és pontosabbá teszi - Automatikus elemzési (felismerési) folyamatok adatbázisának tervezése és felépítése - Automatikus elemzési, minősítési folyamatok gyakorlati megvalósítása - A minősítő rendszer gyakorlati alkalmazása - Egzakt adatok szolgáltatása egyes gombanemzetségek és fajok határozásához - Mikológiai interaktív adatbázis létrehozása - A kutatási eredmények felsőoktatásban és diagnosztikai munkában történő gyakorlati alkalmazása A minősítő rendszer gyakorlati alkalmazása az alábbi területeket öleli fel: - Burgonya kórtani rezisztencia vizsgálatok - Burgonya abiotikus stresszekkel szembeni ellenálló képességének mérése - Burgonya feldolgozóipari minőségének meghatározása A fenti célok eléréséhez számos informatikai eszköz, rendszer került kifejlesztésre (integrált informatikai rendszer - EMOR IIS, képfeldolgozási mérési módszerek és feldolgozási eljárások, automatikus elemzési, mérési folyamatok adatbázisa). Az alábbiakban a program alapvető jellemzői mellett, a kutatás során alkalmazott és kifejlesztett informatikai rendszert (http://www.georgikon.hu/digkep/emor/emor.htm) kívánjuk bemutatni.
2. Burgonya kórtani vizsgálatok Az Alternaria fajok termesztett növényeinken, gyomnövényeken a leggyakrabban megjelenő gombafajok közé tartoznak (Fischl et al. 2004, Fischl és Dongó 2004). Az általuk okozott megbetegedések aránya az utóbbi 10 évben kimutathatóan növekedett egyes növények esetén (Fischl et al. 2000). A jelenlegi előzetes vizsgálatok arra utalnak, hogy az emberiség allergiás megbetegedéseiben is jelentős szerephez juthatnak. Az Alternaria fajok és más mikotoxin termelő gombák (pl. Fusarium, Aspergillus stb.) előfordulása, illetve másodlagos anyagcseretermékeik az egyik legfontosabb társadalmi és gazdasági kérdéskör az Európai Unióban. A Magyarországon előforduló és károsító Alternaria fajokról csupán részleges információkat lehet szerezni. Jelentőségüknél fogva hazánkban is indokolt a fellelhető fajok morfológiai tulajdonságainak megismerése. A fajszintű határozás klasszikus módszerei mellett (telepmorfológia, sporuláció intenzitás, konídium méret stb.) a molekuláris (genetikai) vizsgálatok jelenleg még nem alkalmasak a gyors határozásra. Emiatt célszerű olyan adatbázis létrehozása, amely egy információtechnológiai eszköz továbbfejlesztésén keresztül megteremti ezen mikroszkopikus gombanemzetség faj illetve fajcsoport szintű azonosítását. A tervezett kutatási célkitűzés elérése érdekében külföldről származó Alternaria nemzetségbe tartozó referencia izolátumokat illetve saját izolátumokat használtunk fel, amelyek különböző gazdanövényekről származtak. A vizsgálathoz három kontinensről származó, különböző fajokat képviselő izolátumokat szereztünk be. Összesen 62 külföldi izolátummal rendelkezünk. Ezek közül csak csoportképviselőket vontunk be a digitális képanalízisbe. Az identifikációs rendszer az alábbi részterületeket érinti: - Alternaria adatbázis létrehozása, az egyes referencia izolátumok adatainak rögzítése (faj illetve fajcsoport megnevezése, kódszám, gazdanövény, származási ország, forrás megnevezése) 1. táblázat. - Kisspórás Alternaria fajcsoportok összehasonlítása digitális képanalízissel, mikroszkópi morfometrikus paraméterek mérésére alkalmas szoftver tervezése és fejlesztés - Alternaria konídiumok morfológiai és méretbeli paramétereinek rögzítése (hosszúság, szélesség, kerület, terület stb.) Faj ill. Fajcsoport Kód Származás Forrás A. tenuissima 13 Triticum aestivum, Denmark BA, 1203 A. longipes 1 Nicotina tabacum, USA BA, 915 A. alternata 27 unknown, USA BMP, 21-41-091 A. brassicicola 123 Brassica oleracea, France PS, Abra 20 A. infectoria 45 unknown, USA BA, 1240 A. arborescens 30 Pistacia vera, USA BMP, 21-43-001 Táblázat 1. A vizsgálatba vont autentikus Alternaria referencia izolátumok adatai. A rövidítések a következőket jelentik: BA B. Andersen, BMP B. M. Pryor, PS P. Simoneau Az izolátumok összehasonlításához az alábbi egzakt paraméterek alapján végeztük: - Konídium test hosszúság: a konídium bazális részétől, a konídium csőr kezdetéig terjedő egyenes szakasz hossza. - Konídium szélesség: a konídium testének maximális szélessége, mely a konídium hosszára állított merőlegesen, a test által határolt egyenes szakasz hossza.
- Konídium csőr hosszúság: a csőr közel párhuzamos falakkal határolt, hosszúkás, henger alakú képződmény. A mérés a konídium test és a konídium legvégéig terjedő szakaszra vonatkozik. Ha a csőr kifejezetten hosszúkás, akkor általában keresztfalakkal tagolt. - Konídium csőr szélesség: a hosszúkás képződmény szélességét jelenti, melyet a csőr végén kell mérni. - Konídium csőr keresztfalainak száma: A hosszúkás, megnyúlt csőrszerű képződmények keresztfalainak a száma. - Keresztfalak száma: A konídium testre vonatkozó éles vonalú, kereszt irányú falak számát jelenti. - Hosszanti falak száma: A konídium testre vonatkozó éles vonalú, hosszanti falak számát jelenti, amely a konídium hossztengelyével párhuzamos, illetve ritkábban azzal hegyes szöget zár be (ferde). - Kerület: A konídium kerülete. - Terület: A konídium területe. A jelen természettudományos megfigyelésnek kitett gomba mintákat gondosan előkészítettük. Kaparékot vettünk az egyes tisztatenyészetekből. Tartós preparátumot készítettünk, nemcsak vizsgálati céllal, hanem abból az elgondolásból is, hogy később ezek a preparátumok ellenőrizhetők illetve visszaazonosíthatók legyenek. Az Alternaria nemzetségre jellemző láncokban képződő, sötét színű, többsejtű, hosszanti illetve harántfalakkal tagolt konídiumok (phaedictyosporae) mikroszkópos vizsgálatával foglalkoztunk. A mikroszkopikus méretű vizsgálati objektumok adatainak felvételezéséhez szükséges sztereomikroszkóphoz illeszthető, stabilan rögzíthető digitális kamerát beszereztük. Kiválasztottuk az általunk tipikusnak tartott konídiumokat és elkészítettük az első felvételeket az egyes fajcsoportokba tartozó Alternaria konídiumokról, mint a vizsgálat tárgyáról. A vizsgálati paramétereket kijelöltük különböző típusú konídiumok esetén. Az 1. ábrán kisspórájú konídiumtest mérhető adatait tüntettük fel, míg ezzel szemben a 2. ábrán egy nagyspórájú konídiumtest vizuálisan értékelhető és mérhető paramétereit adjuk meg. 1. ábra 2. ábra Kisspórás Alternaria konídium. Nagyspórás Alternaria konídium. 3. Integrált Informatikai Rendszer A fentebb kitűzött célok eléréséhez szükségessé vált egy integrált informatikai rendszer kidolgozása. A Burgonyanemesítés és -minősítés integrált informatikai rendszere az alábbi területekből áll: Adatbank létrehozása, mely magában foglalja a fajtanyilvántartást, a származási kapcsolatok (pedigré) adatait és a bővítési interfészt. Elsőként megalkottuk azt a standardizált adatszerkezetet (3. ábra), melyben eltároljuk mindazon információkat, mely a minősített fajta törzsadata, vagy fontos kiegészítő adata.
3. ábra Adatbázisba szervezés, normalizálás Azaz a legteljesebb körű információt kívánjuk tárolni az adott egyedről, mely érdekes lehet a termesztőnek és mindazoknak a szakembernek, akik ehhez adatbázishoz fordulnak. Nézzük, milyen jellegű adatokat tudunk rögzíteni és elérni a rendszerben! Törzsadatként az egyes fajták jellemzőit (4. ábra). Ezek alapvetően lehetnek képi, karakteres és egyéb információk. 4. ábra Felhasználói felület
Fajtajelölt adatok nyilvántartása, szintézise és fajtává minősítése. A nemesítőknek és kutatóknak az egyik legfontosabb információ az adott fajta szüleinek ismerete, továbbá a származási vonal követése. Nemesítési adatok elemzése. Nem kevésbé fontos a nemesítési folyamat termesztéssel kapcsolatos adatai, például ültetési rend és ültetési cél. Standardizált minősítési eljárás elemei: szubjektív (érzékszervi) vizsgálatok, objektív (mérések) vizsgálatok, nem informatikai mérések (súly, fajsúly, lisztesség), digitális képelemzés, ezen belül : morfometriai vizsgálatok, morfológiai vizsgálatok. A program lehetőséget biztosít a szubjektív értékelési szempontok, érzékszervi (pl. íz), és objektív mérési adatokat (pl. átlagos gumóméret) rögzítésére és az ehhez kapcsolódó képi információk megjelenítésére. Igyekeztünk úgy definiálni a minősítési metódust, hogy a lehető legtöbb adat objektív legyen. Ezért alkalmazunk például automatikus képelemzési megoldásokat az alaki, a szín és texturális vizsgálatoknál. Új lehetőségként jelenik meg az SFD-n (Spektrális FraktálDimenzió) alapuló vizsgálati módszer (5. ábra), mely a minta színösszetételéről ad egyedi információt (Berke, 2004). 5. ábra Spektrális fraktáldimenzió mérése Ez az érték jól jellemezheti az adott fajta adott konyhatechnológiai felhasználhatóságát (Berke, 2005). A fenti képelemzési módszeren kívül további képfeldolgozási eljárások is kidolgozásra kerülnek. A hálózatba kötött munkahelyek alkalmazásával, a szervezeti folyamatok informatikai támogatásával, a dokumentumok digitálissá válásával új megoldások, egyéni és csoportos munkamódszerek születtek meg (Berke 2004). Jelen esetben a kutatási projekt olyan rendszer beüzemelését kívánta meg, melyben a projekt résztvevő folyamatos kapcsolatot tudnak tartani egymással (Busznyák 2004). A kapcsolat létesítésére a legalkalmasabb eszköz az Internet, melyhez hozzáfér a konzorcium összes tagja. Ezeken kívül feltételként jelentkezik, hogy az információmegosztás megvalósítása a lehető legkönnyebb formában történhessen meg, mert a projektben résztvevők nem mindegyike informatikus és csak felhasználói szinten kezeli a számítógépes rendszerét. Végeredményben egy olyan csoportmunkarendszer vált szükségessé, amely biztosítja a könnyű használatot és a könnyű hozzáférést az információk megszerzésére és megjelenítésére. A projekt vezetése közös megegyezéssel a Microsoft cég
Windows SharePoint Service terméke mellett döntött, melynek használatával kapcsolatban már több éves tapasztalattal rendelkezett. A Windows SharePoint Service (továbbiakban WSS) a Windows Server 2003 operációs rendszerrel együttműködő, ahhoz ingyenesen alkalmazható csoportmunka rendszer. Működéséhez elengedhetetlen feltétel egy SQL adatbázis-kezelő, egy Internet Information Server, ami a tartalmi megjelenésért felelős és a.net Framework Windows Server 2003 operációs rendszerrel. Az adatbázis-kezelő lehet a telepítő csomaghoz tartozó ingyenes adatbázis-kezelő vagy akár Microsoft SQL Server is. A további komponensek szükségessége az ASP.NET környezet üzemeltethetősége miatt válik fontossá, mivel az összes tartalom ASP.NET oldalak formájában jelenik meg a felhasználó előtt. A rendszer üzemeltetéséhez, a beállítások elvégzéséhez, valamint az információk elhelyezéséhez és megszerzéséhez elegendő egy internet böngészőprogram, ami ma már szinte minden operációs rendszer elhagyhatatlan része (Csák 2004). 4. Következtetések 4.1 Kórtani következtetések Régebben az akkori rendszerezési elveknek megfelelően jelentős hangsúly jutott az Alternaria konídiumok morfológiai vizsgálatára (Neergard 1945, Ellis 1971, Simmons 1967). Ebben az időszakban azonban még nem álltak rendelkezésre digitális technikák az adatok illetve képek rögzítésére, nem is beszélve a digitális képanalízis nyújtotta személyes értékítéletek kiküszöbölésére. A több száz fajt magába foglaló Altenaria nemzetség tipikus konídiumainak képi digitalizálására, valamint a rögzített képekhez kapcsolható számított és származtatott adatok felvételezésére szükség van az egyértelmű határozás érdekében. A célul kitűzött minősítő rendszer szubjektív ítéleteket nem, vagy minimális mértékben tartalmaz. Az elvégzett kutatások eredményeként, egy olyan mikológiai interaktív adatbázis létrehozásán dolgozunk, amely mások számára összehasonlító, referencia-gyűjteményt foglal magába. 4.2 Minősítéssel kapcsolatos következtetések A korábban vázolt, objektív értékekből következtetni lehet többek között: a fajta felhasználhatóságára, a károkozók kártételeinek mértékére, a mechanikai tűrőképesség mértékére, a tárolási, raktározási tűrőképesség mértékére. A minősítő rendszer gyakorlati alkalmazása az alábbi területeket öleli fel (Polgár 2005): Burgonya kórtani rezisztencia vizsgálatok Burgonya abiotikus stresszekkel szembeni ellenálló képességének mérése Burgonya feldolgozóipari minőségének meghatározása Bízunk abban, hogy az itt kidolgozott standardizált eljárások széles körben elfogadottá válnak. 5. Irodalomjegyzék BERKE, J. (2005): Applied Spectral Fractal Dimension. Joint Hungarian-Austrian Conference on Image Processing and Pattern Recognition, Veszprém, 163-170, ISBN 3-85403-192-0. BERKE, J. (2004): Fraktáldimenzió szerepe a képfeldolgozásban, Magyar Képfeldolgozók és Alakfelismerők Országos konferenciája kiadványa, (KEPAF Conference on Image Analysis and Pattern Recognition), Miskolc-Tapolca, 20.
BERKE, J., SISÁK, I., MÁTÉ, F., BUSZNYÁK, J. (2004): Map service and soil information system in support of environmentally sound agriculture in the watershed of Lake Balaton. Information systems in agriculture and forestry, XI. year of international conference, SEČ, CZ-5, EN-5, ISBN 80-213-1337-4. BERKE, J., WOLF, I., POLGAR, ZS. (2004): Development of an image processing method for the evaluation of detached leaf tests. Eucablight Annual General Meeting, Keszthely, Hungary, 24-28 October, 2004. BUSZNYÁK, J. (2004): Georgikon térképszerver és kapcsolódó kutatási programok. XLVI. Georgikon Napok kiadványa, Keszthely, 50, ISBN 963 9096962. CSÁK, M., HEGEDŰS, G., POLGÁR, ZS., FISCHL, G., BERKE, J. (2005): Integrated information system of potato breeding and qualification. Information systems in agriculture and forestry, XI. year of international conference, Prague, ISBN 80-213-1337-4. CSÁK, M. (2004): Sharepoint alapú Intranet csoportmunka. XLVI. Georgikon Napok kiadványa, Keszthely, 51, ISBN 963 9096962. ELLIS, M. B. (1971): Dematiaceous Hyphomycetes. Commonwealth Mycological Institute. FISCHL, G., és DONGÓ, A. (2004): Alternaria fajok előfordulása mocsári- és vízi növényeken. Hidrológiai Közlöny, 84: 5-6, 41-42. FISCHL, G., BÉRES, I., DONGÓ, A., KAZINCZI, G. and MIKULÁS, J.(2004): Fungi isolated from seeds and vegetative reproductive organs of perennial weeds (Asclepias syriaca, Cirsium arvense, Convolvulus arvensis). Journal of Plant Diseases and Protection. Sonderheft 19: 605-609. FISCHL, G., KOVÁCS, J., NAGY, P. és SURMANN, Á. (2000): In vitro vizsgálatok a paprika magházpenészét okozó Alternaria alternata gombafajjal. Lippay János Vas Károly Tud. Ülésszak, Budapest. Összefogl. 378-379. NEERGARD, P. (1945): Danish Species of Alternaria and Stemphylium. Oxford University Press. London. POLGÁR, ZS., WOLF, I., GERGELY, L., PROKSZA, P., BERKE, J. (2005): Application of image processing methods in potato breeding and variety registration. Information systems in agriculture and forestry, XI. year of international conference, Prague, ISBN 80-213-1337-4. SIMMONS, E. G. (1967): Typification of Alternaria, Stemphylium and Ulocladium. Mycologia, 59: 67-92.