全 文 ：生物物理学报 第九卷 第二期 1卯 3年 6 月
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西藏巨柏核型的图象自动分析与识别的研究 *
胡匡枯 苏万芳 李子孝
( 中国科学院生物物理研究所
姚 山麟 梁红平 *
北京 lX)( 10 1)
摘 要
我们应用图象自动分析和识别 的原理和方法 , 建立 了植物染色体 自动分析 ( } 限O M . H LJK 软件
系统 , 并 首次时西藏 巨柏进行 了核型 自动分析 , 抽取了染色体多个特征参数 : 相对长度 、 臂比 、 着丝 点
指数 、 相对体密度和次级痕相对长度 。 对抖 7个 巨柏体细胞进行多参数数据统计和分析 , 并设里外。 。
1 信 ,.] 别区域和树分类利别 . 实现了染色体自动配时和分类 , 并由计算机直接愉 出染色体的组型图
和核型模式图 。 分析结果表明 : 巨柏体 细胞的染色体数 目 为 如 二及 按玫灿 的分类标准 , 其核型公
式为 加 = 电 n (SC )十 16m + 飞m
。 据 S at bb此 分类为 IA 型 .
引 言
生物染色体图象 自动分析和识别是生物学 、 计算数学和计算机数字图象分析技术等学科
相互渗透 , 而形成 的一门新兴边缘交叉学科 , 其提供的计算 机硬件和软件 , 对细胞 学 、 遗传
学 、 育种学 、 分类学 、 起源和进化学以及染色体工程的研究 , 有着深远的影响 。 使传统的人工
染色体分析手段 . 在分析速度 、 质量 、 精度上产生一个跃变 , 其速度提高了 10 倍以上 。 近年来
生物染色体技术有了很大进展 , 诸如染色体分带技术 ; 姊妹染色体互换技术 ; 细咆融合 与体细
胞杂交技术和细抱拆合技术等 。 但其应用受到较大的限制 , 主要是染色体检测方法和工具 的
落后 , 不能适应现代染色体技术的要求 。 因此发展染色体的 自动分析技术显得十分重要 。 早
在 70 年代就开始了人类染色体的自动分析技术 , 然而植物染色体的 自动分析要比人类和动物
的染色体 自动分析要落后得多 , 主要 因为植物研究对象 比较广` 泛 , 其染色体数 目和形态结构
差异十分复杂 , 制样稳定性和重复性差 , 较大地增加了植物染色体 自动分析的难度 。 直到 85
年以后 , 国际上才较多地报道植物染色体的 自动分析方法的研究 =1 3一 8] 。 应用我们建立 的植物
染 色体 自动分析 CH R O M H U K 软件 系统 , 成功地对国家二级重 点保护珍 贵树 木 一 柏科
( C u P
~ 以 e )柏属 ( C
u P澎us L . )的西藏 巨 柏 ( C u p既us g g a n eat hC en g et L . K . F u )进行
了核型 自动分析 。 这是该 自动分析方法在国内林业学科 中的首次应用
制样方法
将巨 柏种子先用 50 ℃ 温水浸泡 4 小时 , 然后在室温下放置 24 小时 , 置潮 湿滤 纸 上 于
25 ℃ 恒温培养 。 约 7 天后根长 Icln 时 , 切取胚根置于二氯代苯饱和水溶液中预处理 5 一 6 小
时 。 水先后用 95 % 乙醇一 冰醋酸 ( :3l ) 混合固定 24 小时 , 水洗 , 用 lom l L HO 于 60 ℃ 解
离 3 分钟 , 以卡宝品红染色液染色 、 压片 。
图象自动分析的基本特点
我们建立的植物染色体 自动分析 C H R OM H U K 软件系统 , 是 用 F O R T R A N 语言编制的 ,
. 国家自然科学基金资助项 目 ,
*. 北京林业大学
第 2期 西藏巨柏核型的图象自动分析与识别的研究
在 L d 住 TAS PL US G E RM A N Y 图象分析仪上运行的 .该软件系统包括 图象输人 、 输 出 , 图
象信息处理 , 图象处理和图象识别四类功能模块组成 . 流程框图如图 1 所示 。 下面着 重阐述
自动分析过程的几个主要特点 :
(一 )染色体圈象的预处理
选择巨柏处于根尖细胞 中期分裂相 , 此期间染色体及其变异清晰可见 . 显微放大 的染色
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生 物 物 理 学 报 l卯3年
体影象被转换成数字图象 。 滤去图象 中的背景噪声 , 其 中某些突出的干拢 , 通过数学形态学
的 图 象 基 本 逻 辑 运 算 :ln 交 集 ( nI t er se 以 ) 、 异 成 ( E x d us ive 一 O R ) 、 并 集 ( U io n) 、 重 建
( R助 ns utr ct ) 、 腐蚀 ( Em iot n) 和膨胀 ( L川a t io n) 等功能来除去 。 获得加强的清晰图象 , 贮存 于灰度存贮器 或磁盘 中 。 每 幅图象 由 51 2 x 51 2 象素组 成 , 每个 象素有 2 56 灰级 , 空 间尺寸
10
一 ’声口 n 。
(二 )染色体图象闷值的确定
巨柏染色体图象的抽取和分割质量的优劣直接影响特征参数的计算和配对的结果 。 根据
双峰闭值法所获得的分割 阑值 oT , 可将一 幅单细胞染色体的图象分割 成染色体和背景二个 区
域 !匀, 二值图由下式表示 :
l
厂(x , , )一 { 。
B
l蕊 F (x , y )蕊 oT
oT 毛 F (x
,
y) 毛尽
其中 (F x 、 ,) 为一个染色体组的灰色图象函数 ;该图象的灰度范围 B, 一尽 , 分割阂值在 B , 和 尽
之间 。
(三 )染色体特征参数的选择
研究表明巨柏染色体相对长度 L 、 臂比 L/’ S , 着丝点指数 cI 、 相对体密度 价 和次级痕相对
长度 (袋痕与长臂端点之间距离 )是较理想的判别参数 。 着丝点定位 , 是 以 玫 va nl 国定义的 比
值表示 : 刀 s 二 L 、 L/ , . 其中人 为长臂长度 ; L , 为短臂长度 。 亦可 用着丝点指数表示 : 乓= L , 七、 二
因绝对长度随着染色体制样时不 同收缩程度而变化 . 听以采用相对长度 。
O
Lùf1甲白
一L
其中 L 为一条染色体的绝对长度 ;工乙 为一 个染色体组的总长度 相对体密度 (、刊 u len d esn i-
yt )为 :
一六 ” 『
(四 )染色体形态的轮廓化处理
要获得染色体长度 、 臂 比等参数的数据 , 就必须对染 色体进行轮廓 化处理 , 以 获得 着丝点
位置和染色体中心线 。
l
、 着丝点位置的判别 :
我们建立极限腐蚀 ( L im i t E or lot n) 判别方法 根据着丝 点处是着色较浅的缀缩部分 , 在
一定腐蚀次数的作用下 , 将染色体长 、 短臂断开 。 图 2 为一条巨柏染色体极限腐蚀判定步序 ,
图中 1是染色体二值图 , 2 、 3 是对二值图求 E R O IT O N . 当第三次求 E R O IT O N 时 (图中 4) , 着
丝点和次溢痕位置断开 , 5 是通过膨胀 、 重建等运算后 , 求得着丝点和次缀痕的位置 . 该方法的
特点是速度快且判别位置准确 。
2
、 染色体中心线的求得
求得中心线的 目的是测量染色体的长度 。 由于染色体特有的形态 , 要想获得较理想不 出
现分支的中心线段是比较困难的 。 我们采用染色体端点引导和对图象结构元素细化 (T h i n n i n g
iw ht st u ct
~
g d
~
)t 的方法 , 从染色体图形中求出宽度为 1 的中心线 。


第 2 期 西藏 巨柏核型的 图象自动分析与识别的研究 333
(四 )从表 1可知巨柏相对长度的差值 为 2 . 83 , 而与柏科洲 的侧柏 ( Ph yt 由 dus o ir en at ils )
3
.
5
, 福建柏 ( oF k政血 bo d g isn 的 5 . 5 相比最小 , 该特征表明巨柏的核型更对称 , 可能是柏科植
物中较原始的类型 。
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本文于 1男 2年 8月 19 日收到 。