叶片光合作用的三维数学建模

提高光合作用效率是提高作物产量的重要途径之一。目前，对代谢及其调控过程对光合作用的影响研究较多，但由于缺乏有效的方法，对叶片解剖结构影响光合作用效率的研究非常少。. 本项目在已有的光合作用基本代谢模型的基础上，以水稻为研究对象，构建叶片光合作用三维数学模型，精确描述叶片解剖结构、代谢过程、气孔导度调节及叶表面能量平衡过程等因素对光合作用效率的影响。同时，我们将建立全新的叶片三维结构重建、图像处理和获得叶片不同深度光合参数的测量手段,实现对叶片三维模型的参数化。 最后，结合实验测定，模型模拟，发展算法对模型参数进行敏感性分析，从而揭示不同水稻品种光合作用效率差异的代谢和结构基础。该项研究将为提高光合作用效率，进而提高作物产量提供全新的思路。

本项目按原计划顺利完成。主要研究工作包括：（1）构建了动态光合作用模型，即e-Photosynthesis模型，该模型可以有效地模拟 C3植物叶片内部CO2吸收，O2 释放、叶绿素荧光动力学变化、叶绿体腔和基质pH及膜电位等重要过程，该模型提供了一个鉴定提高光合作用效率靶点的理论框架，将促进新兴表型组学领域的高通量筛选技术的发展，也为定量评估目前对光合系统作为一个整体进行理解的合理性提供了一个工具。相关研究成果已于2012年发表；（2）建立了C3 植物叶肉细胞的基本代谢模型，该模型能够模拟在不同光线、CO2、O2等条件下的光合作用、呼吸作用、氮素吸收、蔗糖合成、淀粉合成的速率。相关文章目前正在整理过程中；（3）建立了叶肉细胞的反应扩散模型，该模型模拟了CO2 从外界空气到细胞内的扩散过程，通过该模型和基于13C同位素的叶肉导度测量，我们建立了更加准确的测量叶肉导度的新方法。相关研究成果已于2011年发表。该方法可以对控制叶肉导度的结构因素和生化因素进行区分，进而可以推进对控制叶肉导度的机理研究。相关研究成果已于2012年发表；（4）对影响叶片光合作用的结构因素进行了文献综述，已被邀稿发表，同时，发展了针对叶片结构的光线追踪模型，对光线在叶片内部光强和光质进行精确模拟，结合光合作用模型，对影响叶片光合作用速率的各种参数进行研究；（5）对品种改良过程中的12个水稻品种进行光合参数测量，分析各参数与光合作用的关系，对了解历史品种改良过程的代谢变化有重要的指导意义。到目前为止，已有8篇文章被接受或发表。在此期间，共组织召开国际学术会议2次。