本文關(guān)鍵詞：蠶豆氣孔斑塊化現(xiàn)象時(shí)空動(dòng)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(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(Abscisic 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)方法所未涉及的中間尺度彈細(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)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(yǔ)言R語(yǔ)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)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,提高實(shí)驗(yàn)和分析效率,促進(jìn)更多科研成果的產(chǎn)生。
【關(guān)鍵詞】：氣孔運(yùn)動(dòng) 氣孔斑塊化 時(shí)空動(dòng)態(tài) 空間點(diǎn)格局分析 氣孔振蕩模型 聚類分析
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(xiàn)象的定義和發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象的概念17-18
• 1.1.2.1 發(fā)現(xiàn)過程17-18
• 1.1.2.2 存在范圍18
• 1.2 氣孔斑塊化現(xiàn)象的形成原因18-24
• 1.2.1 氣孔分布格局可導(dǎo)致斑塊化19-21
• 1.2.1.1 從發(fā)育學(xué)角度19
• 1.2.1.2 從形態(tài)學(xué)角度19-21
• 葉片類型20
• 葉片成分20
• 葉片結(jié)構(gòu)20-21
• 1.2.2 氣孔運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)可呈現(xiàn)斑塊化21-24
• 1.2.2.1 水力學(xué)原因21
• 1.2.2.2 信號(hào)傳導(dǎo)過程21-22
• 1.2.2.3 葉肉細(xì)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(xiàn)象的意義和影響24-26
• 1.3.1 提高生理活動(dòng)效率24-25
• 1.3.2 抵抗病菌入侵25
• 1.3.3 提取氣孔運(yùn)動(dòng)模型25-26
• 1.3.4 探索氣孔互作關(guān)系26
• 1.4 現(xiàn)有觀測(cè)與分析氣孔運(yùn)動(dòng)的工具和方法26-31
• 1.4.1 觀測(cè)手段26-30
• 1.4.1.1 觀測(cè)工具26-28
• 直接觀察26-27
• 顯微鏡成像技術(shù)27
• 圖像成像技術(shù)27-28
• 氣體交換儀28
• 整合觀測(cè)技術(shù)28
• 1.4.1.2 數(shù)據(jù)和指標(biāo)28-30
• 氣孔開度和孔徑面積29
• 葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度和葉溫29
• 氣體交換數(shù)據(jù)29-30
• 1.4.2 分析方法30-31
• 1.4.2.1 時(shí)間動(dòng)態(tài)30
• 1.4.2.2 空間動(dòng)態(tài)30-31
• 1.5 科學(xué)問題、解決策略與技術(shù)路線31-37
• 1.5.1 本文擬解決的科學(xué)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(xì)胞尺度與葉片尺度之間32
• 個(gè)體與整體綜合考慮32-33
• 時(shí)空動(dòng)態(tài)的全局化分析33
• 1.5.2.2 觀測(cè)分析技術(shù)33-34
• 圖像分辨率缺陷33-34
• 生理指標(biāo)缺陷34
• 1.5.2.3 數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)手段34-35
• 樣本數(shù)量34-35
• 統(tǒng)計(jì)學(xué)可靠性35
• 空間格局的判斷依據(jù)35
• 1.5.2.4 自動(dòng)化可重復(fù)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(shù)路線36-37
• 2 材料與方法37-58
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件38
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)材料38-39
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料39-43
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)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(fù)合型植物抗蒸騰劑40-43
• 2.2.4.1 制備方法41-42
• 復(fù)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(duì)比在離體表皮條上對(duì)氣孔開度的影響42
• 與單一酵母菌劑對(duì)比在活體葉片上的氣體交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果42
• 與空白對(duì)照組對(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)化44-45
• 2.4.3 標(biāo)度校準(zhǔn)45
• 2.5 數(shù)據(jù)提取與篩選45-47
• 2.5.1 模式識(shí)別45-46
• 2.5.2 數(shù)據(jù)提取46-47
• 2.5.3 數(shù)據(jù)輸出47
• 2.6 數(shù)據(jù)整理與分析47-58
• 2.6.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理47-49
• 2.6.1.1 氣孔定位與補(bǔ)充47-48
• 2.6.1.2 數(shù)據(jù)比較與合并48-49
• 2.6.2 數(shù)據(jù)分析49-58
• 2.6.2.1 空間格局分析49-55
• 點(diǎn)格局分析方法50
• 改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化S函數(shù)50-55
• 其它分析方法55
• 2.6.2.2 時(shí)間動(dòng)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(jié)果58-109
• 3.1 概述58-70
• 3.1.1 顯微鏡拍攝圖像初步處理結(jié)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(shí)間間隔下氣孔面積變化情況64-70
• 3.2 空間動(dòng)態(tài)70-79
• 3.2.1 初始?xì)饪椎目臻g格局分布71-72
• 3.2.2 隨時(shí)間推移不同狀態(tài)氣孔的空間格局變化72-79
• 以一小時(shí)為時(shí)間間隔點(diǎn)72-75
• 以十分鐘為時(shí)間間隔點(diǎn)75-79
• 3.2.3 不同處理下空間格局的強(qiáng)度79
• 3.3 時(shí)間動(dòng)態(tài)79-109
• 3.3.1 時(shí)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(jié)果指標(biāo)總覽83-85
• 模型擬合結(jié)果參數(shù)分布85-88
• 3.3.3 聚類分析88-106
• 組間分類結(jié)果及對(duì)比88-90
• 組內(nèi)分類結(jié)果及對(duì)比90-99
• 還原分類結(jié)果至空間格局99-106
• 3.3.4 復(fù)合型抗蒸騰劑的應(yīng)用效果106-109
• 3.3.4.1 與單一成膜劑對(duì)比在離體表皮條上對(duì)氣孔開度的影響106-107
• 3.3.4.2 與單一酵母菌劑對(duì)比在活體葉片上的氣體交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果107-108
• 3.3.4.3 與空白對(duì)照組對(duì)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(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)有研究的比較109
• 4.1.2 彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究的不足109-110
• 4.1.3 本研究方法的擴(kuò)展性110-111
• 4.2 時(shí)空動(dòng)態(tài)結(jié)果的深層含義111-114
• 4.2.1 空間尺度下氣孔運(yùn)動(dòng)模式呈現(xiàn)三階段111-113
• 4.2.2 氣孔斑塊化強(qiáng)度在不同處理下的橫向比較113
• 4.2.3 時(shí)間尺度上氣孔振蕩運(yùn)動(dòng)模型表現(xiàn)出氣孔斑塊化運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)113-114
• 4.3 氣孔斑塊化現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)制114-116
• 4.3.1 氣孔運(yùn)動(dòng)本身存在隨機(jī)性114-115
• 4.3.2 氣孔運(yùn)動(dòng)整體具有自組織行為115-116
• 4.4 新型復(fù)合型抗蒸騰劑116-117
• 5 結(jié)論與展望117-119
• 5.1 結(jié)論117-118
• 5.2 展望118-119
• 參考文獻(xiàn)119-127
• 附錄127-139
• 作者簡(jiǎn)歷139

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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

  本文關(guān)鍵詞：蠶豆氣孔斑塊化現(xiàn)象時(shí)空動(dòng)態(tài)的定量化分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：381240