Veres Andrea1 – Kaszó Márk 2 – Kaszó László 3– Kárpinszky András 4– Petővári Bence 5
Új perspektívák a kétfoltos takácsatka (Tetranychus urticae) előrejelzésében New perspectives in the monitoring of two spotted spider mite (Tetranychus uritcae)
[email protected] 1Agrologica Kft., kutató 2EN-CO Soft. Kft., mérnök 3EN-CO Soft. Kft., mérnök 4EN-CO Soft. Kft., mérnök 5In-flor-matika Non-profit Kft., kutató
Összefoglaló A kutatásunk gyakorlati célja egy olyan rendszer létrehozása, amellyel a gazdálkodó egy operációsrendszerrel vezérelt kamerával fényképeket készít a fóliasátrában rácsháló mentén, és a fényképek alapján a rendszer képfeldolgozó algoritmusok segítségével megbecsüli a levélen lévő takácsatkák egyedszámát. A felhasználó a képeket a kameráról egy saját gépére vagy interneten keresztül a szerverre töltheti, ahol a képfelismerő program elemzi. Az elemzés eredményeképpen meghatározható a kártevők populációjának nagysága, ami alapján a termelő eldöntheti, hogy védekezik vagy sem. A termelő megoszthatja az adatokat a szaktanácsadókkal, így helyszíni szemle nélkül, online szolgáltatás keretében kaphat javaslatot a védekezési döntésre. Jelenlegi 75% pontossággal képesek vagyunk megállapítani az atkák egyedszámát a levélen. Az atka egyedszám térbeli eloszlása gócos mintázatot mutatott, a növekedése kellően gyakori mintavétel esetén köthető a meglevő gócokhoz. Az atkák jellemzően soron belül terjedtek, mivel összeértek a növények. Az adott mintavételkor tapasztalt atkaszám és az azt követő időpontból kalkulált atkaszám változása szignifikáns kapcsolatot mutatott mindkét évben. Eredményeink alapján megközelítőleg 5 tekinthető egyensúlyi atkaszámnak, ez alatt az atkák számára van elegendő erőforrás a szaporodáshoz, míg e felett az élettér/táplálék mennyisége már korlátot szab a további növekedésnek és elvándorolnak. Bevezetés A technológia fejlődése új perspektívákat nyit meg a növényvédelmi előrejelzésben is. Hajtatott növénykultúrák egyik jelentős kártevője a kétfoltos takácsatka (Tetranychus urticae), amely előrejelzése szín vagy feromoncsapdák segítségével nem lehetséges. Pontos előrejelző rendszer hiányában a termelők 3-5 naponta programszerűen permeteznek. Integrált növényvédelemben a védekezési küszöböt növényvédelmi szakember vagy szaktanácsadó határozza meg, aki helyszíni szemlét tart. A helyszínen általában a szakértő a kultúrnövény-állományban megvizsgálja a növények levelét és becslés alapú döntést hoz. Sem számszerű adatgyűjtés alapján történő pontos előrejelzésre, sem az adatok archiválására és újraértékelésére, sem a védekezés hatékonyságának utólagos ellenőrzésére így nincs lehetőség. A kétfoltos takácsatka világszerte jelentős károsító, 1200 tápnövénye ismert, melyből 150 gazdaságilag is jelentős (Tehri 2014). Egyedfejlődése során 5 fejlődési stádiumon keresztül éri el a kifejlett állapotot. Generációs idejét a hőmérséklet és a fotoperiódus nagyban befolyásolja, üvegházi körülmények között akár 7 nap is lehet. Téli időszakban pete formájában obligált diapauza jellemző. Általában a levél fonákját preferálják. Növényvédőszerekkel szemben gyakran kialakul rezisztencia (Van Leeuwen és mtsai. 2010). Egyes
465
kultúrnövények eltérő fajtáin különböző lehet a károsítás mértéke (Flores 2013). Rózsa növényeken 10-50 atka levelenként akár 6-10%-os kárhoz is vezethet. A kétfoltos takácsatka aktív helyváltoztatás útján (a levélen mászva) vagy passzív módon (széllel szállított selyemfonallal vagy más organizmus segítségével) is képes terjedni (Azande´me`-Hounmalon és mtsai. 2014). Tömeges elvándorlás túlszaporodás vagy táplálék hiányában alakul ki. Jellemző továbbá egy napszakos mozgás, melynek során koradélután felfelé mozognak a növényen, éjszaka pedig visszamásznak a növény aljára, és ennek a vándorlásnak a mértéke 24 órán belül akár a teljes populáció méretével összevethető. A takácsatka fajok esetében jellemző, hogy magas helyi egyedszám esetén elvándorolnak, habár a kétfoltos takácsatka viszonylag alacsony egyedszám esetén is vándorol. A mozgékonyság magas populációnövekedési rátával kombinálva magyarázza, hogy miért képesek az atka fajok rövid időn belül kolonizálni a tápnövényeiket. A fertőzött növények lokalizációja és eltávolítása nagyban csökkenti a felszaporodás kialakulását. A kétfoltos takácsatka egy tápnövényen belüli eloszlása egyenletes, az egyes tápnövények közötti elterjedési mintázat viszont fajonként változó, és több faktor, úgy, mint levélfelület, táplálék mennyisége és minősége, levél kitettsége, predáció, fény és hőmérséklet is befolyásolhatja. A kutatásunk célja egy olyan rendszer létrehozása, mely operációsrendszerrel vezérelt kamerával készített fényképek alapján, képfeldolgozó algoritmusok segítségével megbecsüli a kultúrnövény levelén lévő takácsatkák egyedszámát. A rendszer alapja egy speciális kézi kamera, amellyel a felhasználó nagyfelbontású, standardizált képet készít a kultúrnövény leveléről és a rajta lévő kártevőkről és az alkalmazás segítségével a mintavételi pont helyzetét rögzíti. A felhasználó a képeket a kameráról egy saját gépen vagy interneten keresztül a szerverre töltheti, ahol a képfelismerő program elemzi. Az elemzés eredményeképpen meghatározható a kártevők populációjának nagysága, ami alapján a termelő eldöntheti, hogy védekezik vagy sem. A termelő megoszthatja az adatokat a szaktanácsadókkal, így helyszíni szemle nélkül, online szolgáltatás keretében kaphat javaslatot a védekezési döntésre. Módszertan A kutatást hajtatott rózsa kultúrából származó mintákon végeztük 2014-ben és 2015-ben. A vizsgálat két fő részből állt. Egyrészt a képfelismerő szoftver fejlesztéséhez tanuló képhalmaz párokat készítettünk laboratóriumi körülmények között. 4 alkalommal 50-50 fertőzött levélkét gyűjtöttünk, melyekről fényképet készítettünk és a fényképen megjelöltük az egyedeket valamint sztereo mikroszkóp segítségével manuálisan megszámoltuk az atkákat. Másrészt hajtatott rózsa kultúrában, 7-10 napos rendszerességgel 240 levélkét/alkalom fényképeztünk a fóliasátorban rácsháló mentén, hogy nyomonkövessük az atkák egyedszámának változását. A növénykultúrában konvencionális növényvédelmet folytattak, a kezelések során alkalmazott hatóanyagot, dózist és a kezelések időpontját feljegyeztük és az elemzések során figyelembe vettük. A képfeldolgozó rendszer C++ nyelven kerül megvalósításra. A képek feldolgozásához a nyílt forráskódú OpenCV könyvtár került felhasználásra. A mobil oldalon jelenleg az Android op. rendszer van támogatva. A szerver oldal 4.5 .NET keretrendszer segítségével valósult meg. Az adatok tárolását MSSQL rendszer végzi. Az elemzéshez az R 3.0.2 statisztikai programot használtuk az xtable, hwriter, gplots és car programkönyvtárakkal. Az átlagos intenzitásokat bootstrap t-próbával hasonlítottuk össze.
466
Rovarfelismerés módszertan A rovarok felismeréséhez egy kétrétegű hierarchiarendszert alakítottunk ki. A legfelső szinten a képfeldolgozó algoritmusok vannak. Minden fénykép feldolgozásra kerül, ennek a lépésnek az eredménye egy képhalmaz, melynek minden eleme az eredeti levélképnek egy kis részét tartalmazza. Az első lépésnek a célja, hogy megtaláljuk azokat a potenciális levélrészeket, melyek kártevőket (takácsatkákat) tartalmazhatnak. Annak az eldöntéséhez, hogy a levélrész tényleg tartalmaz-e kártevőt, egy neurális háló rendszert használunk. A rendszer minden képre lefut, és egyenként eldönti, hogy van-e rajta kártevő vagy sem. A tanulórendszer előzőleg meg van tanítva manuálisan összeválogatott képhalmazokkal, ezen halmazok generálásához a fent említett képfeldolgozó algoritmusokat használjuk. Eredmények és következtetések Jelenleg 75% pontossággal képesek vagyunk megállapítani az atkák egyedszámát (1. ábra). Vannak kimagaslóan pontos eredmények, viszont bizonyos határeseteknél, (árnyékos levél, koszos levél, hervadt levél), a kiértékelés eredménye pontatlan. Ezen határesetek kezelése jelenleg a legfontosabb feladat.
1. ábra Atka egyedek azonosítása rózsalevélen képfelismerő algoritmus segítségével
467
2. ábra Atka egyedszám intenzitás alakulása hajtatott rózsaültetvényben, 2014-ben és 2015-ben (Ráckeve)
2014-ben átlagosan alacsonyabb volt az atkaegyedszám, mint 2015-ben (2. ábra, 1. táblázat), az adatok viszont nagyobb szórást mutattak. 2014-ben és 2015-ben is lecsökkent az atkaegyedszám augusztus közepe táján, ami a fotoperiódussal magyarázható (Tehri 2014). A permetezések programszerűen 3-5 naponta zajlottak, így kontrollcsoport hiányában nem tudtunk egyértelmű összefüggést találni a permetezések és az egyedszám alakulása között. Nem zárható ki a szerrezisztencia sem (Van Leeuwen 2010). Táblázat 1. Átlagos atka intenzitás és 95%-os konfidencia-intervallum mintavételi időpontonként 2014-ben és 2015-ben
1 2 3 4 5 6 7 8
468
Időpont 07.18. 07.27. 08.07. 08.16. 08.23. 09.04. 09.22.
2014 Átlagos intenzitás 5.34 6.39 6.42 4.45 4.52 4.65 6.64
CI 4.75-6.18 5.64-7.4 5.8-7.38 3.88-5.07 4.13-4.9 4.16-5.18 6.01-7.35
Időpont 04.08. 05.05. 05.12. 05.25. 06.01. 06.10. 06.21. 06.26.
2015 Átlagos intenzitás 2.02 4.21 10.6 12.7 11.5 11 6.1 4.58
CI 1.65-2.49 3.42-5.51 8.79-13.1 11.1-14.6 10-13.1 9.35-13 5.36-7.04 3.79-5.79
3. ábra Példa az előző mintavételkor tapasztalt atkaszám és az atkaszám változása ábrázolására (2015. 2. és 3. mintavétel) A bal oldali ábrán sötétebb négyzet jelöli a fertőzöttebb töveket. A másodikon sötétebb piros szín az atkaszám jelentősebb emelkedését, sötétebb zöld pedig jelentősebb csökkenését ábrázolja a következő mintavételig, azaz a jobb oldali ábra a bal oldali változását vetíti előre. Az ábrákon a fóliasátrat látjuk felülnézetben, minden tőnek egy-egy négyzet felel meg.
Az atka egyedszám térbeli eloszlása gócos mintázatot mutatott, a növekedése kellően gyakori mintavétel esetén köthető a meglevő gócokhoz. Hasonló intenzitás figyelhető meg az azonos sorban levő szomszédos töveknél, ami abból adódhat, hogy soron belül a növények összeérnek, így az atkák könnyebben mozognak, mint a sorok között. Szembetűnő az is, hogy a legfertőzöttebb tövek állapota több helyen javul, azaz ez az atkafaj nem törekszik a növény elpusztítására (Azande´me`-Hounmalon és mtsai. 2014). Csökkenő erőforrás esetén továbbállnak. Ez az eredmény egybevág Azande´me`-Hounmalon és mtsai. (2014) eredményeivel, miszerint 15 napon belül a teljes populáció elvándorolt 3 tápnövény távolságra, 21 napon belül akár 7 tápnövény távolságra is.
469
4. ábra Az előző mintavételkor tapasztalt atkaszám és az atkaszám változása közötti kapcsolat 2014-ben és 2015-ben
Az atkaszám és az előző atkaszám 2014-ben egyszer sem, 2015-ben csak két mintánál mutatott szignifikáns kapcsolatot. Ezzel szemben az előző mintavételkor tapasztalt atkaszám és az atkaszám változása szignifikáns kapcsolatot mutatott (3. ábra, 4. ábra, a két első 2015-ös mintavétel kivételével, amikor a fertőzöttség nagyon alacsony volt). Az R2 értékek 0.48 és 0.95 között alaakultak. Ez összhangban van azzal, hogy a populációk egyedszám-változása gyakran arányos a populáció aktuális létszámával. A regressziós egyenes az összes mintavételt együtt tekintve 2014-ben 4.79-nél, 2015-ben 4.31-nél metszi a vízszintes tengelyt. Nagyjából 5 tekinthető tehát egyensúlyi atkaszámnak, ez alatt az atkák számára van elegendő erőforrás a szaporodáshoz, míg e felett az élettér/táplálék mennyisége már korlátot szab a további növekedésnek és elvándorolnak. Azoknál a mintavételeknél, ahol nagyobb volt az intenzitás, az egyensúlyi atkaszám eltolódott egészen 15-ig. Fentiek alapján 5-nél több atka levelenként már olyan fertőzöttségre utalhat, amely a növény egészségét veszélyezteti, de magas általános fertőzöttség esetén ennek a többszöröse is előfordulhat egyensúlyi állapotként. A további kutatások során szükséges meghatározni az optimális mintavételi sűrűséget egyrészt térben, azaz meghatározni a rácsháló sűrűségét a fóliasátorban, másrészt időben, azaz hogy milyen gyakran szükséges mintát venni a növénykultúrából. Köszönetnyilvánítás A kísérletek a EUREKA13_E0A33390 számú projekt támogatásával valósultak meg. Köszönet az Adatrendező Kft.-nek a statisztikai elemzésben végzett munkáért és a Plasmoprotect Kft.-nek a tanulóképek készítéséért. Irodalom Azande´me`-Hounmalon GY, Fellous S, Kreiter S, Fiaboe KKM, Subramanian S, et al. (2014) Dispersal Behavior of Tetranychus evansi and T. urticae on Tomato at Several Spatial Scales and Densities: Implications for Integrated Pest Management. PLoS ONE 9(4): e95071. Flores JL, Chávez EC, Uribe LAA, Canales RF, Fuentes YMO (2013) Demographic parameters of Tetranychus urticae (Acari: Tetranychidae) on four rosa sp. Cultivars: Florida Entomologist 96(4): 1508-1512. Tehri K (2014) A review on reproductive strategies in two spotted spider mite, Tetranychus Urticae Koch 1836 Acari: Tetranychidae): Journal of Entomology and Zoology Studies 2014; 2 (5): 35-39 Van Leeuwen T, Vontas J, Tsagkarakou A, Dermauw W, Tirry L (2010): Acaricide resistance mechanisms in the two-spotted spider mite Tetranychus urticae and other important Acari: a review: Insect Biochem Mol Biol. 2010 Aug;40(8):563-72.
470
