一种浮游植物细胞模型及其构建和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微生物领域，特别是涉及一种浮游植物细胞模型，还涉及一种浮游植 物细胞模型的构建方法和应用。
【背景技术】
[0002] 浮游植物贡献了全球一半以上的初级生产力，是水生生态系统食物网的基础，对 全球生态系统碳、氮、磷的生物地球循环起到了重要的作用，是水生态环境学科领域的重点 研究对象。通过数学模型描述浮游植物在水生生态系统中的生理生态过程，是长期以来的 研究热点。完善的浮游植物细胞模型，不仅可以描述浮游植物对生境变化的生理生态响应， 也可以准确模拟浮游植物在变化环境下的种群动态，对预测浮游植物群落演替具有重要意 义。
[0003] 然而，目前浮游植物细胞模型还存在以下问题：
[0004] 1)如Monod方程、Droop方程等经典模型，将浮游植物细胞当作一个具有特定特征 的黑箱处理，只考虑了浮游植物细胞对生境资源（营养物、光照等）的吸收利用与种群生长 之间关系，却不考虑物质在细胞内部的流转与分配，故难以描述浮游植物细胞对生境变化 的生理自适应调节机制。
[0005] 2) Pahlow等2009年开发的链式模型、Klausmeier等2004年构建的最优氮磷比模 型，初步考虑了浮游植物细胞内部C、N、P的转化过程与反应速率，描述了 C、N、P等关键生 源要素在细胞内部的流转与分配。但上述流转与分配过程因缺乏细胞内生理生化过程的有 力支撑，而无法在细胞内实现严格意义上的元素守恒。
[0006] 3)由于浮游植物细胞内部的所有生理生化反应构成了 一个复杂的反应体系，涉及 到近似于无穷的生理生化过程，同一物质可能涉及到多个反应，即可作为某一生化过程反 应物，也可作为其他生化过程的反应产物，如何对这种复杂的反应体系进行清楚简洁的表 达也是一个需要解决的问题。
[0007] 因此，需要一种能根据浮游植物主要生态功能与关键生理过程来构建细胞模型。
【发明内容】
[0008] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能根据浮游植物细胞 生命活动与关键生理过程来构建细胞模型的方法与应用。该模型以浮游植物单细胞为考察 对象，以细胞形成到细胞完成分裂或死亡之间的生命活动为模拟过程，基于结构化建模方 法，采用化学计量学的手段说明浮游植物对环境变化的生理自适应调整过程。
[0009] 该模型的目的在于解决以下的三点问题：1)基于浮游植物细胞的主要生理过程 描述细胞对生境变化的生理自适应调节机制；2)在描述浮游植物细胞生理自适应调整过 程中实现严格意义上的元素守恒；3)采用一种合理的方法对细胞复杂的生理自适应调整 过程进行有效的表达，确保运用该方法构建的浮游植物细胞模型可用于模拟或预测浮游植 物细胞对生境变化的生理生态响应。
[0010] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种浮游植物细胞模型，该模型以 浮游植物细胞为模拟对象，基于细胞内部的碳氮磷代谢过程和能量流动，将浮游植物细胞 划分为不同的细胞功能单元，确定细胞功能单元的化学计量表达式，根据细胞功能单元之 间物质代谢和能量流动关系，建立相应的化学计量方程与过程速率表达式，根据过程-组 分矩阵构建矩阵形式表达的浮游植物细胞模型，用以模拟或预测浮游植物细胞对生境变化 的生理生态响应。
[0011] 本发明的另一目的还在于提供一种构建浮游植物细胞模型构建方法，包括以下步 骤：
[0012] 步骤1，将浮游植物细胞概化为若干个相对独立的细胞功能单元，确定不同细胞功 能单元之间的物质、能量流动关系；
[0013] 步骤2,确定细胞功能单元的物质构成和化学计量表达式；不同细胞功能单元，具 有不同的物质构成与化学计量表达式。
[0014] 步骤3,建立细胞功能单元之间、细胞功能单元同其他非生命物质之间的化学计量 方程，确定其反应动力学与速率表达式；
[0015] 步骤4,利用"过程-组分"矩阵，将不同细胞功能单元之间的关系、细胞功能单元 及其他非生命物质的化学表达式进行组合，形成以矩阵形式表达的浮游植物细胞结构化模 型。
[0016] 本发明还有一目的利用浮游植物细胞模型，提供一种模拟或预测浮游植物细胞对 生境变化的生理生态响应的方法，包括：
[0017] 1)基于浮游植物细胞内不同生物大分子的初始含量，按照步骤2. 1-2. 5所示的方 法计算出不同细胞功能单元的初始含量和表示其元素构成的化学计量系数；
[0018] 2)根据不同细胞功能单元的化学计量系数，结合模型涉及过程的过程产率系数， 得到表征不同过程的化学计量方程的计量系数；
[0019] 3)基于不同过程中组分含量变化速率方程与化学计量方程的计量系数，得到不同 组分含量随时间变化的总速率方程；
[0020] 4)基于不同组分含量随时间变化的总速率方程，计算得到模型组分含量随时间的 变化特征，根据模型组分的化学计量系数得到细胞生物大分子构成与细胞元素构成随时间 的变化特征。
[0021] 如上所述，本发明的浮游植物细胞模型及其构建和应用，具有以下有益效果：
[0022] 本发明提供了一种浮游植物细胞模型构建方法，运用该方法构建的细胞模型，可 应用于联系浮游植物的关键生理过程与生态功能，并实现不同层面上的元素化学计量守 恒，且可根据所需要关注的生态功能灵活调整对不同的细胞生理过程的模拟，为浮游植物 生理生态学的研究提供新手段，本发明的积极效果具体如下：
[0023] 1)浮游植物细胞不再被当作具有特定特征的黑箱处理。模型建立在浮游植物细胞 内的物质流动与能量分配的生物学基础上，实现了对细胞代谢（物质吸收、储存、合成、分 配等）的数学描述。
[0024] 2)模型将由庞杂的生理生化过程构成的浮游植物细胞划分为若干个相对独立的 细胞功能单元，在确立不同细胞功能单元之间化学反应方程式基础上，通过矩阵化的"组 分-过程"关系表达，实现对浮游植物细胞生理过程的模拟。上述细胞功能单元划分与"组 分-过程"关系的矩阵化表达思路，可进一步根据建模者的需要和既有的细胞生理生化过程 研究成果，在保证严格物料守恒原则的基础上，灵活地简化或细化细胞功能单元的描述，从 而形成了一个开放的、结构化或模块化的浮游植物细胞模型平台。
[0025] 3)在浮游植物细胞生理学研究既有知识基础上，本发明有效地建立了 "C、N、P等 生源要素一细胞关键大分子物质一细胞功能单元"之间的化学计量关系。由于关键大分子 物质的C、N、P含量，以及细胞内关键大分子物质（如蛋白质、RNA、DNA、脂肪等）含量均可 在实验室测试获得，故上述化学计量关系，创新性地将各细胞功能单元表达为以C、N、P等 生源要素为基础的化学组分。使得建立不同细胞功能单元之间的生理生化过程的化学反应 计量方程式成为可能。
【附图说明】
[0026] 图1显示为本发明实施例提供的浮游植物细胞模型构建方法流程图。
[0027] 图2显示为本发明实施例提供的图1中浮游植物细胞模型构建方法详细流程图。
[0028] 图3显示为本发明实施例提供的浮游植物细胞模型示意图；其中，黑色细虚线箭 头代表磷流动方向，黑色粗虚线箭头代表氮的流动方向，黑色实线箭头代表碳流动方向。
[0029] 图4显示为本发明实施例提供的浮游植物细胞模型的模型矩阵表（过程-组分矩 阵）。
[0030] 图5显示为本发明实施例提供的浮游植物细胞模型矩阵表（过程-组分矩阵）中 化学计量系数的参考值。
[0031] 图6显示为本发明实施例提供的中模型的输入与输出变量。
【具体实施方式】
[0032] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0033] 需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想， 故图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘 制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可 能更为复杂。
[0034] 实施例1-模型构建方法
[0035] 本发明提供一种浮游植物细胞模型，该模型以浮游植物细胞为模拟对象，基于细 胞内部的碳氮磷代谢过程和能量流动，将浮游植物细胞划分为不同的细胞功能单元，确定 细胞功能单元的化学计量表达式，根据细胞功能单元之间物质代谢和能量流动关系，建立 相应的化学计量方程与过程速率表达式，根据过程-组分矩阵构建矩阵形式表达的浮游植 物细胞模型，用以模拟或预测浮游植物细胞对生境变化的生理生态响应。
[0036] 请参阅图1至图2,为本发明实施例提供的浮游植物细胞模型构建方法流程图及 详细的构建流程图。
[0037] 步骤1，根据浮游植物细胞生理功能特征，将浮游植物细胞概化为若干个细胞功能 单元，在理论上明确不同细胞功能单元之间的物质、能量流动关系。
[0038] 图3为一个基于本方法构建的浮游植物细胞模型示意图，本发明中将浮游植物细 胞模型划分为以下5个细胞功能单元：营养物吸收单元、生化合成单元、光合作用单元、有 机碳存储单元、结构单元。
[0039] 营养物吸收单元，承担对外摄取N、P等营养物的功能，包括无机氮吸收子单元与 无机磷吸收子单元，含有的生物大分子为蛋白质，该类蛋白质镶嵌于细胞膜中。
[0040] 光合作用单元，承担浮游植物细胞光合作用合成小分子有机碳的生理功能，含有 的细胞物质为叶绿体，含有的生物大分子为色素、蛋白质与磷脂。
[0041] 生化合成单元，承担细胞对N、P营养物合成的生理功能，含有的细胞物质为核糖