Khung toán học tăng cường độ chính xác của các đặc điểm hình dạng
Trong thế giới tự nhiên có nhiều loại cây con tiến hóa theo cách thức khác biệt về kích thước, màu sắc và vượt lên tất cả là hình dạng. Trong khi có thể dễ dàng miêu tả được màu sắc hoặc kích thước của một loài thì việc miêu tả một hình dạng lại phức tạp hơn nhiều.
Sự khác nhau về hình thái của các loại mô trong tế bào thực vật. Nguồn: biologydictionary.net/
Trong một nghiên cứu mới xuất bản trên Nature Communications, Jacqueline Nowak của Viện nghiên cứu Sinh lý học phân tử cây trồng Max Planck và cộng sự đã tìm được ra một cách mới và tiến bộ để miêu tả các hình dạng đó qua việc trình bày một mạng lưới có thể sử dụng để tập hợp và so sánh các hình dạng.
Jacqueline Nowak đã thiết kế một cách tiếp cận mới nhò vào một phép biểu diễn hình dạng trên cơ sở mạng lưới tên là biểu đồ thị kiến GraVis. Biểu đồ thị kiến này tái hiện hình dạng của một vật thể, vốn được xác định bằng đường biên xung quanh nó, và cấu trúc thuật toán bên trong GraVis định vị một tập hợp các điểm cách nhau một cách đều đặn ở xung quanh đường biên. Các điểm này sau đó được kết nối với nhau bằng các đỉnh, không cần chéo hoặc thẳng hàng với đường biên của hình dạng. Kết quả là việc kiểm tra sự kết nối giữa các cặp điểm được biểu đồ thị kiến tập hợp cho thấy hình dạng cần được phân tích.
Trong nghiên cứu này, Jacqueline Nowak sử dụng các loại biểu đồ thị kiến và công cụ GraVis để so sánh những hình dạng khác nhau. Để kiểm tra hiệu quả của cách tiếp cận mới, họ còn so sánh các biểu đồ thị kiến của các dạng tam giác, tứ giác và hình tròn đơn giản cũng như cả các hình dạng phức tạp như hạt cát, cá và lá cây.
Đồ họa các sơ đồ của những loại hoa khác nhau. Trên đường biên (xanh lá cây), các điểm được phân bố ở vùng rìa theo không gian và được kết nối. Nguồn: Nature Comunication
Bằng việc sử dụng những cách tiếp cận học máy khác biệt, họ đã chứng minh cách tiếp cận của mình có thể phân biệt được các hình dạng phức tạp. Hơn nữa, những biểu đồ thị kiến cho phép phân biệt sự phức hợp của các hình dạng như các tế bào đáy biểu bì trong thực vật, vốn có hình dạng tương tự với các miếng ghép. Với các tế bào này, các tham số hình dạng khác biệt như chiều dài thùy, độ rộng chỗ thắt hoặc khu vực tế bào có thể được định lượng một cách chính xác với GraVis. “Khả năng định lượng số thùy của các tế bào biểu bì bằng GraVis vượt xa các công cụ hiện có, điều đó cho thấy đây là một công cụ hữu hiệu để giải được các câu hỏi cụ thể liên quan đến phân tích hình dạng”, Zoran Nikoloski, người dẫn dắt dự án GraVis và phụ trách nhóm nghiên cứu “Sinh học hệ thống và mô phỏng toán học” tại Viện nghiên cứu Sinh lý học phân tử cây trồng Max Planck và là giáo sư tin sinh học tại trường đại học Potsdam.
Trong tương lai, các nhà khoa học muốn ứng dụng các biểu đồ thị kiến trên các tế bào biểu bì và các lá để có thêm những cái nhìn thấu suốt về mặt sinh học vào các quá trình xử lý chính trong tế bào tác động đến hình dạng bên ngoài. Thêm vào đó, những đặc điểm hình dạng của những tế bào thực vật khác nhau do GraVis định lượng có thể giúp các nhà khoa học dễ dàng sàng học gene để xác định những cơ sở di truyền của hình thái di truyền. Cuối cùng, ứng dụng của GraVis sẽ giúp tăng thêm kiến thức về sự tương tác giữa các tế bào và hình dạng của các cơ quan động thực vật trong tự nhiên.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://www.nature.com/articles/s41467-020-20730-y
https://phys.org/news/2021-01-mathematical-framework-enables-accurate-characterization.html
