蠶豆氣孔斑塊化現(xiàn)象時(shí)空動(dòng)態(tài)的定量化分析.pdf

1、氣孔斑塊化現(xiàn)象是指植物葉片表面上氣孔運(yùn)動(dòng)的異質(zhì)化分布，廣泛存在于各種條件下。這一自發(fā)的集體性行為被認(rèn)為可以優(yōu)化調(diào)控光合作用所需的CO2攝入并減少蒸騰作用帶來的過多水分消耗，但是對(duì)于其具體發(fā)生過程尤其是形成機(jī)制仍存在爭(zhēng)論，一方面是因?yàn)檫@一現(xiàn)象發(fā)生于傳統(tǒng)研究的觀察尺度之外，另一方面是因?yàn)獒槍?duì)這一現(xiàn)象缺乏有效可靠的分析方法。本論文基于現(xiàn)有的成熟實(shí)驗(yàn)手段——通過對(duì)蠶豆(Vicia faba L.)葉片表皮條分別施加外源植物激素脫落酸(Absci

2、sic Acid，ABA)及活體酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)處理后于光學(xué)顯微鏡下觀察氣孔開閉狀態(tài)——獲取足夠且可靠的氣孔運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化提出了一套簡(jiǎn)潔有效的流程用于同時(shí)從空間和時(shí)間兩個(gè)尺度定量化地觀測(cè)與分析氣孔斑塊化現(xiàn)象，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究手段的不足，并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新性的改進(jìn)，得到了有效的結(jié)果，提出了可靠的結(jié)論。
　　本研究的創(chuàng)新性及主要結(jié)果如下:
　　從實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)上，為了觀察到傳統(tǒng)方法所未涉及

3、的中間尺度（單細(xì)胞尺度與全葉片尺度之間）的氣孔運(yùn)動(dòng)，我們轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)思路，選擇在光學(xué)顯微鏡低倍鏡下拍攝圖像并進(jìn)行后期處理和拼接，從而獲得大量氣孔在同一時(shí)間空間狀態(tài)下的真實(shí)開閉信息，在保證取得充足樣本數(shù)據(jù)的同時(shí)也減少了實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度，降低了環(huán)境條件要求。
　　在數(shù)據(jù)處理過程中，對(duì)顯微鏡拍攝輸出的表皮條實(shí)驗(yàn)圖像結(jié)果，我們依需求使用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像強(qiáng)化和模式識(shí)別以分離出氣孔特征信息，并利用計(jì)算機(jī)編程方法進(jìn)行批量數(shù)據(jù)提取，有效提高了數(shù)據(jù)

4、預(yù)處理的效率和準(zhǔn)確性。
　　在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和研究結(jié)論的提出上，我們借鑒和改進(jìn)了現(xiàn)有成熟的分析方法，以數(shù)學(xué)手段獲得了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)可信性的定量化結(jié)果，同樣借助計(jì)算機(jī)編程語言R語言，自行編寫代碼完成所有的數(shù)據(jù)處理和分析工作，實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的自動(dòng)化研究流程。具體而言:
　　我們改進(jìn)了氣孔運(yùn)動(dòng)的空間動(dòng)態(tài)分析方法:基于空間點(diǎn)格局分析方法提出了優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化S函數(shù)，對(duì)氣孔斑塊化現(xiàn)象給出了明確的數(shù)學(xué)定義，并由S函數(shù)的計(jì)算結(jié)果提出新的分析指標(biāo)，用

5、于表示氣孔斑塊化的尺度和強(qiáng)度，并可橫向比較不同處理間的結(jié)果;我們提出并優(yōu)化了對(duì)氣孔時(shí)間動(dòng)態(tài)進(jìn)行模型擬合的方法，抽象出了基于三角余弦函數(shù)的氣孔振蕩模型;我們還對(duì)模型擬合結(jié)果應(yīng)用聚類分析方法，可自動(dòng)對(duì)氣孔模型的參數(shù)進(jìn)行特征值分類，并由此識(shí)別分辨出不同處理?xiàng)l件下氣孔運(yùn)動(dòng)模式的相同及差異性結(jié)果。
　　綜合而言，本研究針對(duì)植物激素ABA和酵母菌所引發(fā)蠶豆葉片表面的氣孔斑塊化現(xiàn)象，從時(shí)間和空間維度上進(jìn)行了詳細(xì)深入的定量化分析，得到了充分的證據(jù)

6、表明氣孔斑塊化現(xiàn)象無論是空間尺度上的斑塊大小、斑塊強(qiáng)度還是時(shí)間尺度上的氣孔運(yùn)動(dòng)振蕩模型及其分類結(jié)果都是存在尺度依賴性和條件依賴性的，并展示了氣孔斑塊化現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)制是由個(gè)體至整體的自發(fā)性空間自組織行為，不同條件下氣孔運(yùn)動(dòng)的同步性和空間位置共同影響著氣孔斑塊化現(xiàn)象的產(chǎn)生。通過從觀察和分析這兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)現(xiàn)有的研究方案進(jìn)行了合理的補(bǔ)充和有效的優(yōu)化，我們希望本論文提出的流程和對(duì)氣孔斑塊化現(xiàn)象機(jī)制的探討能有助于氣孔運(yùn)動(dòng)和植物生理學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究工作，