温室茄子(Solanum melongena L.)光合数学模型与光合生化模型模拟分析

针对植物光合与内外环境因子间的关系以及光合“午睡”现象中的气孔限制与非气孔限制问题,以温室茄子‘茄杂一号’为试材,对叶室温光组合方式下测定的净光合速率Pn对胞间CO2浓度Ci响应曲线,和人工增施CO2处理下测定的Pn日变化进程,进行了光合数学模型和Farquhar、von Caemmerer和Berry的光合生化动力学模型(简称为FvCB模型)模拟分析。采用美国思爱迪生态仪器有限公司的CI-301PS光合作用测定仪进行净光合速率(Pn)、光合有效辐射(PAR)、气温(Ta)、叶温(Tl)、环境二氧化碳浓度(Ca)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和空气相对湿度(Hr)参数测定。其结果表明,无论是Pn对Ci的响应曲线还是光合日进程中,数学模型对Pn的拟合度明显优于为FvCB模型。因此,通过数学模型可以解析出光合日进程受单一环境因子(PAR、Ta、Ca、Hr)及其复合环境因子的综合影响。然而,FvCB模型模拟结果显示出,温光组合下受Rubisco(即RuBP羧化/加氧酶)数量与活性及动力学特性限制的羧化速率Ac、受RuBP(1,5-二磷酸核酮糖)再生限制的羧化速率Aj以及受TPU(磷酸丙糖)可利用量限制的羧化速率Ap对Ci响应的主控作用呈现交替变化趋势。其交替变化转折点胞间二氧化碳浓度Cicj在强光高温组合中较高,而在弱光低温组合中较低;同时还发现,Cicj和Cijp受叶温的影响强于光照。光合日进程中的FvCB模型模拟分析揭示出,早晨和傍晚弱光下为Aj限制时段;晴天上午和中午前后的充足日照下为Ac限制时段。多云和阴天下Aj的限制时段延长。增施CO2会延长Aj的限制时段,同时相应缩短Ac的限制时段;冬季2次增施CO2的出现了Ap限制时段。

一类具有时滞的生化模型的稳定性和Hopf分支

在生物化工中用肺炎杆菌与甘油转化为1,3-丙二醇的过程中会出现震荡现象,根据生物意义,在模型中引入时滞 项,并通过分析特征方程的特征根,获得了平衡点绝对稳定的代数判据,同时得到存在Hopf分支的条件。

基于贝叶斯方法的光合作用生化模型参数估计及其在干旱区葡萄上的应用

以无核白葡萄为试材,测定了其在不同季节(6—9月)、不同胞间CO_2浓度下的净光合速率,根据贝叶斯方法,结合蒙特卡罗马尔科夫链算法对光合生化模型参数进行估算,以期获得不同季节的模型参数值,并与最小二乘法所得结果对比,探讨贝叶斯方法在解决高维度复杂模型参数估计问题中的可行性和葡萄光合作用关键参数季节变化规律。结果表明,最大羧化速率(V_(cmax))、最大电子传递速率(J_(max))、磷酸丙糖利用速率(TPU)均有明显的季节变化特性,出现先增后减的趋势,8月达最高,分别为54.30μmol·m^(-2)·s^(-1)、88.45μmol·m^(-2)·s^(-1)和6.56μmol·m^(-2)·s^(-1);9月最小,分别为34.66μmol·m^(-2)·s^(-1)、58.86μmol·m^(-2)·s^(-1)和4.38μmol·m^(-2)·s^(-1)。叶肉导度(g_m)在各个月份波动不大,6—9月分别为5.16μmol·m^(-2)·s^(-1)·Pa^(-1)、5.29μmol·m^(-2)·s^(-1)·Pa^(-1)、5.39μmol·m^(-2)·s^(-1)·Pa^(-1)和5.41μmol·m^(-2)·s^(-1)·Pa^(-1)。与传统的最小二乘法相比,贝叶斯方法估算的V_(cmax)值偏小,J_(max)、TPU和g_m无明显差异。同时贝叶斯方法估计出的模型参数是在考虑参数先验信息的基础上获得的,生化意义更加显著。试验表明,光合作用生化模型(FvCB模型)在应用于光合作用模拟时,应充分考虑其参数的季节变化性;结合蒙特卡罗马尔科夫链算法的贝叶斯参数估计能更有效解决FvCB模型中参数估计问题。

光合作用的CO_2阶跃响应动态生化模型

针对CO2阶跃变化下光合动态响应的振荡现象,依据经典的光合系统酶触反应动力学,初步尝试构建了光合系统反馈控制动态生化模型。该模型以卡尔文环的核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)接触反应的酶动力学进程作为核心,以磷酸甘油酸(phosphorylglyceric acid,PGA)还原和接续的核酮糖-1,5-二磷酸(ribulose-1,5-bisphosphate,RuBP)再生的多级过程高度简化为复合酶接触反应的酶动力学进程为反馈,构成反馈控制系统。采用经典的控制系统传递函数分析手段,将反馈控制系统表达为光合动态生化模型传递函数。据此模型将实测羧化速率Vc振荡动态进行仿真拟合,呈现出很高的拟合度(r=0.9377)。这表明,在卡尔文环或者光合系统反馈环中,因RuBP的消耗和再生补充不平衡引起的光合振荡现象,与光合系统酶接触反应动力学参数(k)造成各个中间产物再生的"滞后"效应有关。从而在机理上解释了Laisk和Walker(1986)的无机磷(inorganic phosphate,Pi)再生供应的光合动态生化模型中,需要假定代谢途径中蔗糖合成"滞后15～20s"才能表现出光合振荡效果的现象。

一类具有时滞的生化反应模型的Hopf分支

在生物化工中用肺炎杆菌与甘油转化为1,3-丙二醇的过程中会出现振荡现象,本文对出现振荡的机理进行了研究,根据生物意义,在模型中引入了时滞项,经分析和计算得到了产生Hopf分支的分支值以及分支值随控制参数变化的规律,并利用时滞微分方程的数值解法绘制了周期解的图形和相图,为这一过程的振荡机理研究提供了理论依据,并可用于指导工艺控制。

一类生化反应模型极限环的存在唯一性

用定性的方法讨论了一类生化反应模型,dxdt=ζ-xy4,dydt=xy4-by,并证明了其极限环的存在性,不存在性及极限环的存在唯一性,得到了完整的结果。

一类生化反应模型的定性分析

本文讨论了Babloyantz-Hiernaux生化反应模型及其特殊情况下的Glerer-Meinhardt数学模型，得到了前者的平衡位置的局部稳定位和后者的极限环的存在性即振荡反应的存在性以及其平衡位置的大范围稳定性.

有机质生成生物气的生化动力学模型及其应用

国内外评价生物气资源量普遍采用微生物厌氧发酵法,该方法不能反映生气期,为此,依据生化动力学,建立了有机质生成生物气的生化动力学模型,并结合实验条件下生物气产率,标定了生化动力学参数。在此基础上,考虑菌体浓度和温度对动力学参数的影响,将所标定的动力学参数在柴达木盆地进行应用的结果表明,柴达木盆地生物气生成速率随埋深先增大后减小,速率最大值对应的深度约为600m,与前人研究结论相近。这说明根据实验室产气率数据标定所建立的动力学模型在考虑菌体浓度和温度对动力学参数影响的条件下可以用来定量评价生物气生成期。

细胞抗寒性生化反应模型及其理论研究

本文根据细胞抗寒锻炼中,代谢途径的变化,建立了抗寒机制和模型。理论分析表明,在特定条件下,此种抗寒模型存在极限环型振荡,这说明,cAMP在细胞抗寒锻炼中可能出现时间振荡行为,它暗示抗寒锻炼交替地开始和停止利用cAMP的反应与产生cAMP的反应。

一类多分子生化反应模型

本文研究了一般的多分子生化反应模型ｘ＝δ－ａｘ－ｘ＾ｐｙ＾ｑ，ｙ＝ｘ＾２ｙ＾２－ｂｙ，在第一象限内的相图。并应用Ｈｉｐｆ分支得出了这样一个结论：对于任意给定的正整数ｐ，ｑ（ｑ〉１，Ｐ〉０），此系统在第一象限内至少可以存在两个极限环，但是在平衡点Ｍ的充分小邻域内却至多只可能存在两个极限环。

一类生化反应模型的定性分析

用微分方程定性理论方法及形式级数，研究了生化反应中的一类微分方程模型，在各种参数关系下解的有界性、奇点的稳定性以及极限环的存在性。

一类生化反应模型的极限环

本文对一类生化反应模型作了较为完整的定性分析。

一类生化反应模型的极限环

本文研究了一类多分子生化反应模型 x=δ- ax- xpyp,y=xpyp - by当 a≠ 0 ,p=3,q=2的情形 ,得出了不存在闭轨的参数区域 ;

一类生化反应模型的定性分析

对一类多分子生化反应模型用定性理论方法完整地解决了它的极限环的不存在性。

一类生化开关模型的定性分析

本文研究一类生化开关模型其中ｘ≥０，ｙ≥０；ａｉ，ｂｉ，ｃｉ（ｉ＝１，２）为正参数、给出了系统（１）具有开关行为的充要条件．

一个生化反应模型的极限环唯一性

本文研究了一个仅为两个种类细胞反应的生物化学反应系统。证明了此系统只存在唯一稳定的极限环,从而发展了文献〔5〕的结果。

一类生化反应模型的定性分析

讨论了生化反应中一个可逆三分子饱和反应的数学模型 ,应用常微分方程定性理论 ,得到该系统的一切正初值的正半轨线有界及极限环不存在、存在与唯一的充分条件 .

一类三分子生化反应模型的极限环

本文研究了一类三分子生化反应模型 {X=1~2x-xY^2 Y=m+xY^2-Y 证明了当1>2m时,(1)存在唯一稳定的极限环,当1≤2m时,(1)无极限环,本文改进了文〔1〕的极限环唯一性的结果。

一类生化反应模型的Hopf分支

模仿文[2]的方法,将正平衡点坐标很复杂的系统转化为正平衡点坐标很简单的系统,为研究此系统的Hopf,An分支创造了条件,从而证明了系统x·=A-Bx-xy2,y·=Bx+xy2-my2m-A)至多是一阶n+y2的正平衡点M(AB+y20稳定焦点,改进了文[1]的工作.