發(fā)布時間：2017-05-20 09:22

  本文關鍵詞：蠶豆氣孔斑塊化現象時空動態(tài)的定量化分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氣孔斑塊化現象是指植物葉片表面上氣孔運動的異質化分布,廣泛存在于各種條件下。這一自發(fā)的集體性行為被認為可以優(yōu)化調控光合作用所需的CO2攝入并減少蒸騰作用帶來的過多水分消耗,但是對于其具體發(fā)生過程尤其是形成機制仍存在爭論,一方面是因為這一現象發(fā)生于傳統(tǒng)研究的觀察尺度之外,另一方面是因為針對這一現象缺乏有效可靠的分析方法。本論文基于現有的成熟實驗手段——通過對蠶豆(Vicia faba L.)葉片表皮條分別施加外源植物激素脫落酸(Abscisic Acid, ABA)及活體酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)處理后于光學顯微鏡下觀察氣孔開閉狀態(tài)——獲取足夠且可靠的氣孔運動數據,優(yōu)化提出了一套簡潔有效的流程用于同時從空間和時間兩個尺度定量化地觀測與分析氣孔斑塊化現象,有效地彌補了現有研究手段的不足,并實現了創(chuàng)新性的改進,得到了有效的結果,提出了可靠的結論。本研究的創(chuàng)新性及主要結果如下：從實驗流程的設計上,為了觀察到傳統(tǒng)方法所未涉及的中間尺度彈細胞尺度與全葉片尺度之間)的氣孔運動,我們轉換實驗思路,選擇在光學顯微鏡低倍鏡下拍攝圖像并進行后期處理和拼接,從而獲得大量氣孔在同一時間空間狀態(tài)下的真實開閉信息,在保證取得充足樣本數據的同時也減少了實驗復雜度,降低了環(huán)境條件要求。在數據處理過程中,對顯微鏡拍攝輸出的表皮條實驗圖像結果,我們依需求使用計算機圖像處理技術進行圖像強化和模式識別以分離出氣孔特征信息,并利用計算機編程方法進行批量數據提取,有效提高了數據預處理的效率和準確性。在實驗結果的分析和研究結論的提出上,我們借鑒和改進了現有成熟的分析方法,以數學手段獲得了具有統(tǒng)計學可信性的定量化結果,同樣借助計算機編程語言R語言,自行編寫代碼完成所有的數據處理和分析工作,實現了可重復的自動化研究流程。具體而言：我們改進了氣孔運動的空間動態(tài)分析方法：基于空間點格局分析方法提出了優(yōu)化的標準化s函數,對氣孔斑塊化現象給出了明確的數學定義,并由s函數的計算結果提出新的分析指標,用于表示氣孔斑塊化的尺度和強度,并可橫向比較不同處理間的結果；我們提出并優(yōu)化了對氣孔時間動態(tài)進行模型擬合的方法,抽象出了基于三角余弦函數的氣孔振蕩模型；我們還對模型擬合結果應用聚類分析方法,可自動對氣孔模型的參數進行特征值分類,并由此識別分辨出不同處理條件下氣孔運動模式的相同及差異性結果。綜合而言,本研究針對植物激素ABA和酵母菌所引發(fā)蠶豆葉片表面的氣孔斑塊化現象,從時間和空間維度上進行了詳細深入的定量化分析,得到了充分的證據表明氣孔斑塊化現象無論是空間尺度上的斑塊大小、斑塊強度還是時間尺度上的氣孔運動振蕩模型及其分類結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象內在機制是由個體至整體的自發(fā)性空間自組織行為,不同條件下氣孔運動的同步性和空間位置共同影響著氣孔斑塊化現象的產生。通過從觀察和分析這兩個環(huán)節(jié)對現有的研究方案進行了合理的補充和有效的優(yōu)化,我們希望本論文提出的流程和對氣孔斑塊化現象機制的探討能有助于氣孔運動和植物生理學領域的相關研究工作,提高實驗和分析效率,促進更多科研成果的產生。
【關鍵詞】：氣孔運動 氣孔斑塊化 時空動態(tài) 空間點格局分析 氣孔振蕩模型 聚類分析
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S643.6
【目錄】：

• 致謝6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-17
• 1 緒論17-37
• 1.1 氣孔斑塊化現象的定義和發(fā)現過程17-18
• 1.1.1 氣孔的概念和作用17
• 1.1.2 氣孔斑塊化現象的概念17-18
• 1.1.2.1 發(fā)現過程17-18
• 1.1.2.2 存在范圍18
• 1.2 氣孔斑塊化現象的形成原因18-24
• 1.2.1 氣孔分布格局可導致斑塊化19-21
• 1.2.1.1 從發(fā)育學角度19
• 1.2.1.2 從形態(tài)學角度19-21
• 葉片類型20
• 葉片成分20
• 葉片結構20-21
• 1.2.2 氣孔運動動態(tài)可呈現斑塊化21-24
• 1.2.2.1 水力學原因21
• 1.2.2.2 信號傳導過程21-22
• 1.2.2.3 葉肉細胞參與22
• 1.2.2.4 環(huán)境因素22-24
• 葉片環(huán)境23
• 植株環(huán)境23
• 生物因素23-24
• 1.3 氣孔斑塊化現象的意義和影響24-26
• 1.3.1 提高生理活動效率24-25
• 1.3.2 抵抗病菌入侵25
• 1.3.3 提取氣孔運動模型25-26
• 1.3.4 探索氣孔互作關系26
• 1.4 現有觀測與分析氣孔運動的工具和方法26-31
• 1.4.1 觀測手段26-30
• 1.4.1.1 觀測工具26-28
• 直接觀察26-27
• 顯微鏡成像技術27
• 圖像成像技術27-28
• 氣體交換儀28
• 整合觀測技術28
• 1.4.1.2 數據和指標28-30
• 氣孔開度和孔徑面積29
• 葉綠素熒光強度和葉溫29
• 氣體交換數據29-30
• 1.4.2 分析方法30-31
• 1.4.2.1 時間動態(tài)30
• 1.4.2.2 空間動態(tài)30-31
• 1.5 科學問題、解決策略與技術路線31-37
• 1.5.1 本文擬解決的科學問題31
• 1.5.2 解決策略31-36
• 1.5.2.1 選擇研究角度31-33
• 細胞尺度與葉片尺度之間32
• 個體與整體綜合考慮32-33
• 時空動態(tài)的全局化分析33
• 1.5.2.2 觀測分析技術33-34
• 圖像分辨率缺陷33-34
• 生理指標缺陷34
• 1.5.2.3 數學和統(tǒng)計學手段34-35
• 樣本數量34-35
• 統(tǒng)計學可靠性35
• 空間格局的判斷依據35
• 1.5.2.4 自動化可重復研究35-36
• 1.5.2.5 氣孔免疫與非氣孔免疫的判別36
• 1.5.3 技術路線36-37
• 2 材料與方法37-58
• 2.1 實驗設計可行性分析37-39
• 2.1.1 顯微鏡觀察離體表皮條37-38
• 2.1.2 實驗處理條件38
• 2.1.3 實驗材料38-39
• 2.2 實驗材料39-43
• 2.2.1 實驗試劑的配制39-40
• 2.2.2 植物材料的種植40
• 2.2.3 菌種材料的培養(yǎng)40
• 2.2.4 復合型植物抗蒸騰劑40-43
• 2.2.4.1 制備方法41-42
• 復合型抗蒸騰劑41
• 單一成膜劑41
• 單一酵母菌劑41-42
• 2.2.4.2 處理及噴施方法42-43
• 與單一成膜劑對比在離體表皮條上對氣孔開度的影響42
• 與單一酵母菌劑對比在活體葉片上的氣體交換實驗結果42
• 與空白對照組對比在活體葉片上的水分利用效率差異42-43
• 2.3 表皮條顯微鏡實驗43-44
• 2.3.1 表皮條的獲取43
• 2.3.2 表皮條的裝片43
• 2.3.3 顯微鏡下觀察43-44
• 2.4 圖像獲取與處理44-45
• 2.4.1 統(tǒng)紡一區(qū)域44
• 2.4.2 圖像強化44-45
• 2.4.3 標度校準45
• 2.5 數據提取與篩選45-47
• 2.5.1 模式識別45-46
• 2.5.2 數據提取46-47
• 2.5.3 數據輸出47
• 2.6 數據整理與分析47-58
• 2.6.1 數據預處理47-49
• 2.6.1.1 氣孔定位與補充47-48
• 2.6.1.2 數據比較與合并48-49
• 2.6.2 數據分析49-58
• 2.6.2.1 空間格局分析49-55
• 點格局分析方法50
• 改進的標準化S函數50-55
• 其它分析方法55
• 2.6.2.2 時間動態(tài)分析55-58
• 模型擬合56
• 聚類分析56
• 層次聚類方法56-57
• K均值聚類方法57-58
• 3 結果58-109
• 3.1 概述58-70
• 3.1.1 顯微鏡拍攝圖像初步處理結果58-63
• 3.1.2 所有氣孔的初始空間分布63-64
• 3.1.3 所有氣孔所有面積的概率密度分布64
• 3.1.4 一定時間間隔下氣孔面積變化情況64-70
• 3.2 空間動態(tài)70-79
• 3.2.1 初始氣孔的空間格局分布71-72
• 3.2.2 隨時間推移不同狀態(tài)氣孔的空間格局變化72-79
• 以一小時為時間間隔點72-75
• 以十分鐘為時間間隔點75-79
• 3.2.3 不同處理下空間格局的強度79
• 3.3 時間動態(tài)79-109
• 3.3.1 時間振蕩曲線總覽80-82
• 3.3.2 氣孔振蕩模型擬合82-88
• 擬合結果指標總覽83-85
• 模型擬合結果參數分布85-88
• 3.3.3 聚類分析88-106
• 組間分類結果及對比88-90
• 組內分類結果及對比90-99
• 還原分類結果至空間格局99-106
• 3.3.4 復合型抗蒸騰劑的應用效果106-109
• 3.3.4.1 與單一成膜劑對比在離體表皮條上對氣孔開度的影響106-107
• 3.3.4.2 與單一酵母菌劑對比在活體葉片上的氣體交換實驗結果107-108
• 3.3.4.3 與空白對照組對比在活體葉片上的水分利用效率差異108-109
• 4 討論109-117
• 4.1 研究方法的創(chuàng)新性109-111
• 4.1.1 所用實驗方法與現有研究的比較109
• 4.1.2 彌補了現有研究的不足109-110
• 4.1.3 本研究方法的擴展性110-111
• 4.2 時空動態(tài)結果的深層含義111-114
• 4.2.1 空間尺度下氣孔運動模式呈現三階段111-113
• 4.2.2 氣孔斑塊化強度在不同處理下的橫向比較113
• 4.2.3 時間尺度上氣孔振蕩運動模型表現出氣孔斑塊化運動的特點113-114
• 4.3 氣孔斑塊化現象內在機制114-116
• 4.3.1 氣孔運動本身存在隨機性114-115
• 4.3.2 氣孔運動整體具有自組織行為115-116
• 4.4 新型復合型抗蒸騰劑116-117
• 5 結論與展望117-119
• 5.1 結論117-118
• 5.2 展望118-119
• 參考文獻119-127
• 附錄127-139
• 作者簡歷139

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

1 廖建雄,王根軒;植物的氣孔振蕩及其應用前景[J];植物生理學通訊;2000年03期

  本文關鍵詞：蠶豆氣孔斑塊化現象時空動態(tài)的定量化分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：381240