In de natuur, er zijn veel dingen geëvolueerd die verschillen in grootte, kleur en, bovenal, in vorm. Hoewel de kleur of grootte van een object gemakkelijk kan worden beschreven, de beschrijving van een vorm is ingewikkelder. In een studie die nu is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Jacqueline Nowak van het Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology en haar collega's hebben een nieuwe en verbeterde manier geschetst om vormen te beschrijven op basis van een netwerkrepresentatie die ook kan worden gebruikt om vormen opnieuw samen te stellen en te vergelijken.

Jacqueline Nowak ontwierp een nieuwe benadering die steunt op een netwerkgebaseerde vormrepresentatie, benoemde zichtbaarheidsgrafiek, samen met een tool voor het analyseren van vormen, GraVis genoemd. De zichtbaarheidsgrafiek vertegenwoordigt de vorm van een object die wordt gedefinieerd door de omringende contour en de wiskundige structuur achter GraVis wordt gespecificeerd door een reeks knooppunten die op gelijke afstand rond de contour zijn geplaatst. De knopen zijn dan met elkaar verbonden door randen, die de vormgrens niet kruisen of uitlijnen. Als resultaat, het testen van de verbinding tussen alle paren knooppunten specificeert de zichtbaarheidsgrafiek voor de geanalyseerde vorm.

In dit onderzoek, Jacqueline Nowak gebruikte de zichtbaarheidsgrafieken en de GraVis-tool om verschillende vormen te vergelijken. Om de kracht van de nieuwe aanpak te testen, zichtbaarheidsgrafieken van eenvoudige driehoekige, rechthoekige en ronde vormen, maar ook complexe vormen van zandkorrels, visvormen en bladvormen werden met elkaar vergeleken.

Door verschillende machine learning-benaderingen te gebruiken, ze toonden aan dat de aanpak kan worden gebruikt om vormen te onderscheiden op basis van hun complexiteit. Verder, zichtbaarheidsgrafieken maken het mogelijk om de complexiteit van vormen te onderscheiden, zoals werd aangetoond voor epidermale bestratingscellen in planten, die een vergelijkbare vorm hebben als puzzelstukjes. Voor deze cellen is verschillende vormparameters zoals loblengte, nekbreedte of celoppervlak kan nauwkeurig worden gekwantificeerd met GraVis. "De kwantificering van het aantal lobben van epidermale cellen met GraVis presteert beter dan bestaande instrumenten, waaruit blijkt dat het een krachtig hulpmiddel is om specifieke vragen aan te pakken die relevant zijn voor vormanalyse, " zegt Zoran Nikoloski, GraVis-projectleider, hoofd van de onderzoeksgroep "Systeembiologie en Mathematical Modelling" aan het Max Planck Instituut voor Moleculaire Plantenfysiologie en hoogleraar Bioinformatica aan de Universiteit van Potsdam.

In de toekomst, de wetenschappers willen zichtbaarheidsgrafieken van epidermale cellen en hele bladeren toepassen om biologische inzichten te krijgen van belangrijke cellulaire processen die van invloed zijn op de vorm. In aanvulling, vormkenmerken van verschillende plantencellen gekwantificeerd door GraVis kunnen genetische screening vergemakkelijken om de genetische basis van morfogenese te bepalen. Eindelijk, de toepassing van GraVis zal helpen om dieper inzicht te krijgen in de onderlinge relatie tussen cellen en orgaanvormen in de natuur.