確定細胞膜電位的方法和裝置的制作方法

專利名稱：確定細胞膜電位的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及農業信息技術領域，特別涉及一種確定細胞膜電位的方法和裝置。

背景技術：
當植物受到環境變化刺激后會產生相應的胞外信號傳遞，例如化學信號、水信號和電信號，而其中電信號的發生和傳遞可能是植物體對外部刺激的最初反應，這種反應可以觸發生理變化，從而協調植物體內各器官、各組織之間以及植物體自身和外部環境之間的關系。植物電信號的變化歸納為三種局部電位、動作電位和變異電位；其中，局部電位指植物中由環境變化刺激引起的非傳導性電位變化，局部電位將環境變化刺激轉換為細胞膜電位的變化，當細胞膜電位的變化超過某個閾值時，會引發動作電位；動作電位是暫時的、可再生的細胞膜電位的變化，是由于短時的強電流產生的去極化作用；變異電位是由傷害刺激引起的電位變化，變異電位的持續時間長、不遵循“全或無”定律，可以從受刺激部位向外傳導，在其前沿常有一個可能是動作電位的峰值電位。
與動物和人的生物電信號不同，在正常生長條件下高等植物的電信號往往是以局部電位的形式而緩慢波動的，是對環境變化的響應，隨環境因子溫度、濕度和光照變化而改變。但是，長期以來由于信息采集儀器、數據存儲及處理手段等條件的限制，現有技術的研究主要集中在如何誘導(例如脅迫鍛煉、短時高溫熱刺激)植物產生動作電位、變異電位以及探討電信號在植物體內可能的傳遞途徑上。
發明人在實現本發明過程中發現，植物細胞受到外界條件刺激時的生理變化與多方面因素有關，現有技術通過離子通道特性分析植物細胞受到外界刺激時的生理變化，其理論分析結果與實際情況存在較大的差距；而現有技術通過植物細胞的細胞膜電位分析植物細胞受到外界刺激時的生理變化，其分析結果是基于有限檢測值的定性分析結果，缺少有效的模型對植物細胞的細胞膜電位進行定量分析，從而不能準確反映植物細胞受到外界刺激時的生理變化趨勢。


發明內容
本發明提供一種確定細胞膜電位的方法和裝置，用于獲得植物細胞受到外界刺激時細胞膜電位的定量分析結果，從而為準確反映植物細胞受到外界刺激時的生理變化趨勢提供技術支撐。
本發明提供了一種確定細胞膜電位的方法，包括 檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位； 當所述植物細胞受到外界刺激時，對所述植物細胞進行檢測，獲得所述植物細胞的刺激電流的檢測值、所述植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及所述植物細胞的漏電導和漏電壓； 根據所述植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值；根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導，并根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定所述植物細胞的漏電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位確定所述植物細胞的質子泵電流； 根據所述刺激電流的統計值、所述各離子通道的電流、所述植物細胞的漏電流和所述植物細胞的質子泵電流，確定所述植物細胞當前的細胞膜電位。
本發明還提供一種確定細胞膜電位的裝置，包括 檢測模塊，用于檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位，當所述植物細胞受到外界刺激時，對所述植物細胞進行檢測，獲得所述植物細胞的刺激電流的檢測值、所述植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及所述植物細胞的漏電導和漏電壓； 電流確定模塊，用于根據所述檢測模塊檢測的植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值；根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導，并根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定所述植物細胞的漏電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位確定所述植物細胞的質子泵電流； 電位確定模塊，用于根據所述電流確定模塊確定的刺激電流的統計值、所述各離子通道的電流、所述植物細胞的漏電流和所述植物細胞的質子泵電流，確定所述植物細胞當前的細胞膜電位。
本發明對植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位進行檢測，當該植物細胞受到外界刺激時，對該植物細胞進行檢測，獲得該植物細胞的刺激電流的檢測值、各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及該植物細胞的漏電導和漏電壓；然后根據植物細胞的刺激電流的檢測值確定刺激電流的統計值；根據植物細胞中各離子通道的最大電導確定各離子通道的電導，并根據各離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定各離子通道的電流；根據植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定植物細胞的漏電流；根據植物細胞的初始細胞膜電位確定該植物細胞的質子泵電流；最后根據刺激電流的統計值、各離子通道的電流、漏電流和質子泵電流，確定植物細胞當前的細胞膜電位。從而實現了獲得植物細胞受到外界刺激時細胞膜電位的定量分析結果，為準確反映植物細胞受到外界刺激時的生理變化趨勢提供了技術支撐。本發明提供的技術方案是植物電生理研究的一個有力手段，促進了植物電生理研究，同時為實施農業中植物電信號的監測與分析提供了基礎。



為了更清楚地說明本發明或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明確定細胞膜電位的方法一個實施例的流程圖； 圖2為本發明確定細胞膜電位的方法另一個實施例的流程圖； 圖3為外界刺激為光強變化時，通過本發明實施例提供的方法確定的葉肉細胞的細胞膜電位隨時間的變化曲線示意圖； 圖4為外界刺激為光強變化時，實際采集到的葉肉細胞的細胞膜電位隨時間的變化曲線示意圖； 圖5為本發明確定細胞膜電位的裝置一個實施例的結構示意圖； 圖6為本發明確定細胞膜電位的裝置另一個實施例的結構示意圖；
具體實施例方式 下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
本發明提供一種確定細胞膜電位的方法，圖1為本發明確定細胞膜電位的方法一個實施例的流程圖，如圖1所示，該實施例包括 步驟101，檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位。本實施例中的外界刺激包括光強變化和/或溫度變化。
步驟102，當該植物細胞受到外界刺激時，對該植物細胞進行檢測，獲得該植物細胞的刺激電流的檢測值、該植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及該植物細胞的漏電導和漏電壓。
其中，在對植物細胞進行檢測時，可以采用膜片鉗和非損傷振動微電極對該植物細胞進行檢測，當然本發明并不局限于此，任何可以對植物細胞進行檢測，并獲得上述檢測值的方式均應落入本發明的保護范圍。
步驟103，根據該植物細胞的刺激電流的檢測值確定該刺激電流的統計值；根據該植物細胞中各離子通道的最大電導確定各離子通道的電導，并根據各離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定各離子通道的電流；根據該植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定該植物細胞的漏電流；根據該植物細胞的初始細胞膜電位確定該植物細胞的質子泵電流。
步驟104，根據刺激電流的統計值、各離子通道的電流、植物細胞的漏電流和該植物細胞的質子泵電流，確定該植物細胞當前的細胞膜電位。
本實施例中，當外界刺激為光強變化時，上述刺激電流的統計值為光強變化刺激電流的統計值；當外界刺激為溫度變化時，上述刺激電流的統計值為溫度變化刺激電流的統計值；當外界刺激為光強變化和溫度變化時，上述刺激電流的統計值為光強變化刺激電流的統計值與溫度變化刺激電流的統計值之和。
優選地，在確定植物細胞當前的細胞膜電位之后，根據該植物細胞當前的細胞膜電位，可以確定該植物細胞受到外界刺激時的生理變化狀態。
上述實施例實現了獲得植物細胞受到外界刺激時細胞膜電位的定量分析結果，為準確反映植物細胞受到外界刺激時的生理變化趨勢提供了技術支撐。并且本實施例提供的方法是植物電生理研究的一個有力手段，促進了植物電生理研究，同時為實施農業中植物電信號的監測與分析提供了基礎。
圖2為本發明確定細胞膜電位的方法另一個實施例的流程圖，該實施例具體描述在“檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位”，以及“當該植物細胞受到外界刺激時，對該植物細胞進行檢測，獲得該植物細胞的刺激電流的檢測值、該植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及該植物細胞的漏電導和漏電壓”之后，確定植物細胞當前的細胞膜電位的過程。如圖2所示，該實施例包括 步驟201，當外界刺激為光強變化時，根據植物細胞的光強變化刺激電流的檢測值確定光強變化刺激電流的統計值。其中，植物細胞包括保衛細胞和葉肉細胞。
對于保衛細胞，光強變化能夠引起保衛細胞的細胞膜電位的變化，從而使保衛細胞的膨壓發生改變，導致氣孔的開閉。光線由暗到明所致的光強變化，即光打開，能夠使保衛細胞的細胞膜超極化；光線由明到暗所致的光強變化，即光關閉，能夠使保衛細胞的細胞膜去極化。當光強變化為光線由暗到明所致的光強變化時，根據保衛細胞的光強變化刺激電流的檢測值，可以確定保衛細胞中光強變化刺激電流的統計值ILight1與時間t的關系為 ILight1＝a1·exp(-t/b1) (1) 式(1)中，t的單位為秒(s)，ILight1的單位為皮安每平方微米(pA/μm2)，a1、b1為自由參數，a1＝71±5，b1＝56±2，優選地，可以取a1＝71，b1＝56。
當光強變化為光線由明到暗所致的光強變化時，根據保衛細胞的光強變化刺激電流的檢測值，可以確定保衛細胞中的光強變化刺激電流的統計值ILight2與時間t的關系為 式(2)中，t的單位為秒，ILight2的單位為pA/μm2，a2、b2、c1為自由參數，a2＝71±4，b2＝82±2，c1＝3±1，優選地，可以取a2＝71，b2＝82，c1＝3。
對于葉肉細胞，光線由暗到明所致的光強變化能夠使葉肉細胞的細胞膜去極化，光線由明到暗所致的光強變化能夠使葉肉細胞的細胞膜復極化至靜息狀態。根據葉肉細胞的光強變化刺激電流的檢測值，可以確定葉肉細胞的光強變化刺激電流的統計值ILight2與時間t的關系為 式(3)中，t的單位為秒，ILight3的單位為pA/μm2，a3、b3、c2、d、e均為自由參數，a3＝1120±10.5，b3＝63±1.2，c2＝4±0.2，d＝28±2.2，e＝1±0.1，優選地，可以取a3＝1120，b3＝63，c2＝4，d＝28，e＝1。
步驟202，當外界刺激為溫度變化時，根據植物細胞的溫度變化刺激電流的檢測值確定溫度變化刺激電流的統計值。具體地，檢測植物細胞未受到外界刺激時的內向鈣離子流，以及受到外界刺激時的最大內向鈣離子流、最大外向鈣離子流和細胞質內鈣離子的濃度，在進行檢測時，可以采用非損傷振動微電極的方式；根據該植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流和最大內向鈣離子流確定該植物細胞的內向鈣離子流的統計值；根據最大外向鈣離子流和該細胞質內鈣離子的濃度確定該植物細胞的外向鈣離子流的統計值；根據該植物細胞的內向鈣離子流的統計值和該植物細胞的外向鈣離子流的統計值確定溫度變化刺激電流的統計值。其中，保衛細胞和葉肉細胞的溫度變化刺激電流可以由相同的表達式表示。
下面介紹內向鈣離子流的統計值的確定過程。
植物細胞上的非選擇性鈣滲透性通道的活性依賴于溫度的變化速率

與溫度(T)無關，即在任意溫度下，只要溫度的變化速率

達到一定程度，非選擇性鈣滲透性通道就會激活使鈣離子內流。當溫度變化為溫度由低到高變化時，根據該植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流和最大內向鈣離子流確定該植物細胞的內向鈣離子流的統計值具體為 式(4)中，IIN1是溫度由低到高變化時的內向鈣離子流的統計值，單位為微摩爾每秒(μM/s)；IIN0是植物細胞未受到外界刺激時的內向鈣離子流，單位為μM/s；IINmax是最大內向鈣離子流，單位為μM/s；

是溫度變化速率，單位為攝氏度每秒(℃/s)；K1和n1為自由參數，K1＝1±0.5，n1＝3±0.5；優選地，可以取K1＝1，n1＝3。
當溫度變化為溫度由高到低變化時，根據該植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流和最大內向鈣離子流確定該植物細胞的內向鈣離子流的統計值具體為 式(5)中，IIN2是溫度由高到低變化時內向鈣離子流的統計值，單位為μM/s；IIN0是植物細胞未受到外界刺激時的內向鈣離子流，單位為μM/s；IINmax是最大內向鈣離子流，單位為μM/s；

是溫度變化速率，單位為℃/s；

為溫度變化速率的絕對值；K1和n1為自由參數，K1＝1±0.5，n1＝3±0.5；優選地，可以取K1＝1，n1＝3。
下面介紹外向鈣離子流的統計值的確定過程。
鈣泵的活性依賴于攝氏溫度(T)，隨溫度升高而增加。本實施例中，根據最大外向鈣離子流和該細胞質內鈣離子的濃度可以確定由鈣泵調節的該植物細胞的外向鈣離子流的統計值為 式(6)中，IEX是該植物細胞的外向鈣離子流的統計值，單位為μM/s；T是攝氏溫度，單位為攝氏度(℃)；T0為初始攝氏溫度；[Ca2+]c是細胞質內鈣離子的濃度，單位為微摩爾(μM)；Km和n2為自由參數，Q為與溫度有關的常數，Km＝0.5±0.5，n2＝2±0.5，Q＝10±0.5；優選地，可以取Km＝0.5，n2＝2，Q＝10。
式(6)中，IEXmax是最大外向鈣離子流，根據植物細胞的細胞質內鈣離子的濃度和該植物細胞的細胞質內鈣離子的初始濃度可以確定該植物細胞的最大外向鈣離子流IEXmax，具體如下所示， 式(7)中，

是IEXmax的變化速率，單位為微摩爾每平方秒(μM/s2)；[Ca2+]c0是植物細胞的細胞質內鈣離子的初始濃度，單位為μM；P0是一個自由參數，取值范圍為0.005～0.01μM/s2，優選地，可以取P0＝0.005。
由于內向鈣離子流和外向鈣離子流均為鈣離子流，因此根據植物細胞的內向鈣離子流的統計值和植物細胞的外向鈣離子流的統計值，可以確定鈣離子流的統計值，即溫度變化刺激電流的統計值，如式(8)所示。
ICa＝-VC·zCa·F·(IIN-IEX)/ACap (8) 式(8)中，ICa為流過植物細胞的細胞膜的鈣離子電流的統計值，單位為pA/μm2；ACap為植物細胞的細胞膜面積；VC為植物細胞的體積；zCa為鈣離子的化合價；F為法拉第常數；IEX為植物細胞的外向鈣離子流的統計值，IIN為植物細胞的內向鈣離子流的統計值，當溫度變化為溫度由低到高變化時，IIN＝IIN1；當溫度變化為溫度由高到低變化時，IIN＝IIN2。
溫度變化刺激電流的統計值Itemp＝ICa，單位為pA/μm2。
步驟203，根據植物細胞中鉀離子通道的最大電導確定該鉀離子通道的電導，并根據該鉀離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定該鉀離子通道的電流。
具體地，根據該植物細胞中鉀離子通道的最大電導確定該鉀離子通道的電導可以為 GK＝GK_Max·n (9) 式(9)中，GK為鉀離子通道的電導，單位為皮西門子每平方微米(pS/μm2)；GK_Max為鉀離子通道的最大電導，單位為pS/μm2；n為激活因子，是無量綱的變量，取值范圍為0～1，可以將n的初始值設為0，n隨時間的變化量為 Δn＝(αn(1-n)-βnn)·Δt (10) 式(10)中，Δn為n隨時間的變化量；αn、βn分別為植物細胞受到外界刺激時激活過程中鉀離子通道的開關速率，與細胞膜電位有關，與時間無關，單位為秒的負一次方(s-1)。
其中， βn＝1.56exp(-V/23.4) (12) 根據鉀離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定鉀離子通道的電流具體可以為 IKout＝GK(V-Er_K)(13) 式(13)中，IKout是鉀離子通道的電流，單位為pA/μm2；GK是鉀離子通道的電導，單位為pS/μm2；其中，V是初始細胞膜電位，單位為毫伏(mV)；Er_K是鉀離子通道的逆轉電位，即該鉀離子通道的電流發生逆轉時的細胞膜電位，單位為mV。
步驟204，根據植物細胞中氯離子通道的最大電導確定該氯離子通道的電導，并根據該氯離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定該氯離子通道的電流。
具體地，根據該植物細胞中氯離子通道的最大電導確定該氯離子通道的電導可以為 GAnion＝GAnion_Max·m (14) 式(14)中，GAnion為氯離子通道的電導，單位為pS/μm2；GAnion_Max為氯離子通道的最大電導，單位為pS/μm2；m為激活該氯離子通道的控制因子，是無量綱的變量，取值范圍為0～1，可以將m的初始值設為0，m隨時間的變化量為 Δm＝(αm(1-m)-βmm)·Δt (15) 式(15)中，Δm為m隨時間的變化量；αm、βm分別為植物細胞受到外界刺激時激活過程中氯離子通道的開關速率，與細胞膜電位有關，與時間無關，單位為s-1，其中， αm＝0.015exp[(V+150)/35.6] (16) βm＝0.83exp[-(V+24)/25.3] (17) 根據氯離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定該氯離子通道的電流具體為 IAnion＝GAnion(V-Er_Anion)。(18) 式(18)中，IAnion是氯離子通道的電流，單位為pA/μm2；GAnion是氯離子通道的電導，單位為pS/μm2；其中，V是初始細胞膜電位，單位為mV；Er_Anion是氯離子通道的逆轉電位，即該氯離子通道的電流發生逆轉時的細胞膜電位，單位為mV。
步驟205，根據植物細胞中非選擇性陽離子通道的最大電導確定非選擇性陽離子通道的電導，并根據非選擇性陽離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定非選擇性陽離子通道的電流。
具體地，根據該植物細胞中非選擇性陽離子通道的最大電導確定非選擇性陽離子通道的電導可以為 GX＝GX_Max·x2 (19) 式(19)中，GX為非選擇性陽離子通道的電導，單位為pS/μm2；GX_Max為非選擇性陽離子通道的最大電導，單位為pS/μm2；x為激活因子，是無量綱的變量，取值范圍為0～1，可以將x的初始值設為0，x隨時間的變化量為， Δx＝(αx(1-x)-βxx)·Δt (20) 式(20)中，Δx為x隨時間的變化量；αx、βx分別為植物細胞受到外界刺激時激活過程中非選擇性陽離子通道的開關速率，與細胞膜電位有關，與時間無關，單位為s-1，其中， βx＝0.96exp(-V/78.4) (22) 根據非選擇性陽離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定非選擇性陽離子通道的電流具體可以為 IX＝GX(V-Er_X) (23) 式(23)中，IX是非選擇性陽離子通道的電流，單位為pA/μm2；GX是氯離子通道的電導，單位為pS/μm2；V是初始細胞膜電位，單位為mV；Er_X是該非選擇性陽離子通道的逆轉電位，即該非選擇性陽離子通道的電流發生逆轉時的細胞膜電位，單位為mV。
步驟206，根據植物細胞的初始細胞膜電位確定植物細胞的質子泵電流。
質子泵在植物電信號活動的整個過程中都是有活性的，質子泵電流只與細胞膜電位有關，隨細胞膜電位的升高而增加，植物細胞受到外界刺激時產生的質子泵電流為 式(24)中，IH為質子泵電流，單位為pA/μm2；V為初始細胞膜電位，單位為mV。
步驟207，根據植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓，確定該植物細胞的漏電流。
具體地，漏電流是離子流經固定電導時所產生的電流，植物細胞受到外界刺激時產生的漏電流為 IL＝gL(V-EL) (25) 式(25)中，IL是漏電流，單位為pA/μm2；V為初始細胞膜電位，單位為mV；gL是漏電導，單位為pS/μm2；EL是漏電壓，單位為mV。
本實施例中，步驟201～步驟207的執行順序并不限于本實施例所示的順序，上述步驟的執行順序沒有時間先后的限制，可以任意排列，不影響本實施例的實現。
步驟208，根據刺激電流的統計值、鉀離子通道的電流、氯離子通道的電流、非選擇性陽離子通道的電流、質子泵電流和漏電流，確定該植物細胞當前的細胞膜電位。
具體地，植物細胞受到外界刺激時，根據刺激電流的統計值、鉀離子通道的電流、氯離子通道的電流、非選擇性陽離子通道的電流、質子泵電流和漏電流可以確定細胞膜電位的變化量為 式(26)中，ΔV為細胞膜電位的變化量，單位為mV；Cm為細胞膜電容，單位為皮法每平方微米(pF/μm2)；IStim為刺激電流的統計值，單位為pA/μm2；IKout、IAnion、IX、IH和IL的含義如前所述，在此不再贅述。
對于保衛細胞，當外界刺激為光強變化，且光強變化為光線由暗到明所致的光強變化時，IStim＝ILight1；當外界刺激為光強變化，且光強變化為光線由明到暗所致的光強變化時，IStim＝ILight2；當外界刺激為溫度變化時，IStim＝Itemp；當外界刺激為溫度變化和光強變化，且光強變化為光線由暗到明所致的光強變化時，IStim＝ILight1+Itemp；當外界刺激為溫度變化和光強變化，且光強變化為光線由明到暗所致的光強變化時，IStim＝ILight2+Itemp。
對于葉肉細胞，當外界刺激為光強變化時，IStim＝ILight3；當外界刺激為溫度變化時，IStim＝Itemp；當外界刺激為溫度變化和光強變化時，IStim＝ILight3+Itemp。
于是，植物細胞當前的細胞膜電位為V+ΔV，V為初始細胞膜電位，單位為mV。
上述實施例中，如果外界刺激只為光強變化，則可以不執行步驟202；如果外界刺激只為溫度變化，則可以不執行步驟201。
下面通過一個具體的實例，說明采用本發明實施例提供的方法通過計算機仿真確定植物細胞的細胞膜電位的過程。
首先，檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位的值，本實施例以蠶豆保衛細胞為例進行說明，對于蠶豆保衛細胞，V＝-102mV；設定外界刺激的類型，例如光強變化或溫度變化，下面以外界刺激為溫度變化為例進行說明，這時刺激電流IStim＝Itemp，假設溫度變化速率為其中T為溫度，T的初始值為18℃，降溫到4℃，e＝2.7183，t為時間變量，單位為秒，t的初始值為0。ΔT為溫度變化量，Δt為時間變化量，Δt＝0.001秒。設定仿真時間為TL。
計算過程中用到的其他參數的取值如表1所示，其中，表1中的[Ca2+]c、IIN0、IINmax和IEXmax可以利用非損傷振動微電極的方式檢測獲得。
表1 其次，根據初始細胞膜電位的值V，利用式(11)、(12)、(16)、(17)、(21)和(22)計算αn、βn、αm、βm、αx、βx，再將計算出的αn、βn、αm、βm、αx、βx分別代入式(10)、(15)和(20)計算Δn、Δm和Δx。根據計算ΔT，其中t的初始值為0，Δt＝0.001秒。
然后，計算變化后的m、n、x、t和T。其中，m＝m0+Δm；n＝n0+Δn；x＝x0+Δx；t＝t0+Δt；T＝T0+ΔT；其中m0、n0、x0和t0是m、n、x和t的初始值，均為0；T0是T的初始值，T0＝18℃。
接下來，將n代入式(9)計算GK，將獲得的GK代入式(13)計算IKout；將m代入式(14)計算GAnion，將獲得的GAnion代入式(8)計算IAnion；將x代入式(19)計算GX，將獲得的GX代入式(23)計算IX。其中，GAnion_Max為32pS/μm2，GK_Max為24pS/μm2，GX_Max為48pS/μm2。
然后，將初始細胞膜電位的值V分別代入式(24)和式(25)計算IH和IL。
接下來，根據式(4)～式(8)計算溫度變化刺激電流的統計值Itemp。在實際計算時，也可以在計算各離子通道的電流之前計算Itemp，不影響本發明實施例的實現。
最后，根據式(26)計算ΔV，其中取Cm為1pF/μm2，則植物細胞當前的細胞膜電位為V+ΔV。
之后，判斷仿真時間是否達到TL，如果已經達到TL，則結束本次仿真，保存結果；如果還未達到TL，則以本次仿真獲得的細胞膜電位的值作為下一次仿真時的初始細胞膜電位的值，重復上述過程，直到仿真時間達到TL。
上述實施例介紹了外界刺激為溫度變化時，確定植物細胞的細胞膜電位的方法，外界刺激為光強變化時，確定植物細胞的細胞膜電位的方法與之類似，在此不再贅述。圖3為外界刺激為光強變化時，通過本發明實施例提供的方法確定的葉肉細胞的細胞膜電位隨時間的變化曲線示意圖，計算時各參數的取值如表2所示；圖4為外界刺激為光強變化時，實際采集到的葉肉細胞的細胞膜電位隨時間的變化曲線示意圖，圖4中，t0為光打開時刻。
表2
由圖3和圖4可以看出，本發明提供的確定細胞膜電位的方法可以比較準確地反映植物細胞受到外界刺激時，植物細胞的細胞膜電位的變化情況，本發明提供的方法是植物電生理研究的一個有力手段，促進了植物電生理研究，同時為實施農業中植物電信號的監測與分析提供了基礎。
本領域普通技術人員可以理解實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
圖5為本發明確定細胞膜電位的裝置一個實施例的結構示意圖，本實施例中確定細胞膜電位的裝置可以實現如本發明圖1或圖2所示實施例的流程。如圖5所示，該裝置包括檢測模塊51、電流確定模塊52和電位確定模塊53。
其中，檢測模塊51可以檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位，當植物細胞受到外界刺激時，對該植物細胞進行檢測，獲得該植物細胞的刺激電流的檢測值、該植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及該植物細胞的漏電導和漏電壓。上述外界刺激包括光強變化和/或溫度變化在檢測模塊51對植物細胞進行檢測時，可以采用非損傷振動微電極對該植物細胞進行檢測，當然本發明并不局限于此，任何可以對植物細胞進行檢測，并獲得上述檢測值的方式均應落入本發明的保護范圍。
電流確定模塊52可以根據檢測模塊51檢測的植物細胞的刺激電流的檢測值確定該刺激電流的統計值；根據植物細胞中各離子通道的最大電導確定各離子通道的電導，并根據各離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定各離子通道的電流；根據植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定植物細胞的漏電流；根據植物細胞的初始細胞膜電位確定植物細胞的質子泵電流。
電位確定模塊53可以根據電流確定模塊52確定的刺激電流的統計值、各離子通道的電流、植物細胞的漏電流和植物細胞的質子泵電流確定該植物細胞當前的細胞膜電位。其中，當外界刺激為光強變化時，上述刺激電流的統計值為光強變化刺激電流的統計值；當外界刺激為溫度變化時，上述刺激電流的統計值為溫度變化刺激電流的統計值；當外界刺激為光強變化和溫度變化時，上述刺激電流的統計值為光強變化刺激電流的統計值與溫度變化刺激電流的統計值之和。
圖6為本發明確定細胞膜電位的裝置另一個實施例的結構示意圖，本實施例中確定細胞膜電位的裝置可以實現如本發明圖1或圖2所示實施例的流程。與圖5所示確定細胞膜電位的裝置相比，圖6所示確定細胞膜電位的裝置進一步包括生理變化狀態確定模塊54。
生理變化狀態確定模塊54可以根據電位確定模塊63確定的植物細胞當前的細胞膜電位，確定該植物細胞受到外界刺激時的生理變化狀態。
上述實施例中，檢測模塊51對植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位進行檢測，當該植物細胞受到外界刺激時，對該植物細胞進行檢測，獲得該植物細胞的刺激電流的檢測值、各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及該植物細胞的漏電導和漏電壓；然后電流確定模塊52根據植物細胞的刺激電流的檢測值確定刺激電流的統計值；根據植物細胞中各離子通道的最大電導確定各離子通道的電導，并根據各離子通道的電導、逆轉電位和初始細胞膜電位確定各離子通道的電流；根據植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定植物細胞的漏電流；根據植物細胞的初始細胞膜電位確定該植物細胞的質子泵電流；最后電位確定模塊53根據刺激電流的統計值、各離子通道的電流、漏電流和質子泵電流，確定植物細胞當前的細胞膜電位。從而實現了獲得植物細胞受到外界刺激時細胞膜電位的定量分析結果，為準確反映植物細胞受到外界刺激時的生理變化趨勢提供了技術支撐。本發明提供的技術方案是植物電生理研究的一個有力手段，促進了植物電生理研究，同時為實施農業中植物電信號的監測與分析提供了基礎。
本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發明所必須的。
本領域技術人員可以理解實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述進行分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術方案脫離本發明技術方案的精神和范圍。
權利要求
1、一種確定細胞膜電位的方法，其特征在于，包括
檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位；
當所述植物細胞受到外界刺激時，對所述植物細胞進行檢測，獲得所述植物細胞的刺激電流的檢測值、所述植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及所述植物細胞的漏電導和漏電壓；
根據所述植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值；根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導，并根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定所述植物細胞的漏電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位確定所述植物細胞的質子泵電流；
根據所述刺激電流的統計值、所述各離子通道的電流、所述植物細胞的漏電流和所述植物細胞的質子泵電流，確定所述植物細胞當前的細胞膜電位。
2、根據權利要求1所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，在所述根據所述刺激電流的統計值、所述各離子通道的電流、所述植物細胞的漏電流和所述植物細胞的質子泵電流確定所述植物細胞當前的細胞膜電位之后，還包括
根據所述植物細胞當前的細胞膜電位，確定所述植物細胞受到所述外界刺激時的生理變化狀態。
3、根據權利要求1所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，
當所述外界刺激為光線由暗到明所致的光強變化，所述植物細胞為保衛細胞時，所述植物細胞的刺激電流為第一光強變化刺激電流，所述根據所述植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值包括根據所述植物細胞的第一光強變化刺激電流的檢測值確定所述第一光強變化刺激電流的統計值，所述第一光強變化刺激電流的統計值具體為
ILight1＝a1·exp(-t/b1)，
其中，ILight1為所述第一光強變化刺激電流的統計值，a1＝71±5，b1＝56±2；
當所述外界刺激為光線由明到暗所致的光強變化，所述植物細胞為保衛細胞時，所述植物細胞的刺激電流為第二光強變化刺激電流，所述根據所述植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值包括根據所述植物細胞的第二光強變化刺激電流的檢測值確定所述第二光強變化刺激電流的統計值，所述第二光強變化刺激電流的統計值具體為
其中，ILight2為所述第二光強變化刺激電流的統計值，a2＝71±4，b2＝82±2，c1＝3±1；
當所述外界刺激為光強變化，所述植物細胞為葉肉細胞時，所述植物細胞的刺激電流為第三光強變化刺激電流，所述根據所述植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值包括根據所述植物細胞的第三光強變化刺激電流的檢測值確定所述第三光強變化刺激電流的統計值，所述第三光強變化刺激電流的統計值具體為
其中，ILight3為所述第三光強變化刺激電流的統計值，a3＝1120±10.5，b3＝63±1.2，c2＝4±0.2，d＝28±2.2，e＝1±0.1。
4、根據權利要求1所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，所述外界刺激為溫度變化，所述刺激電流為溫度變化刺激電流，所述根據所述植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值包括
檢測所述植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流，以及受到所述外界刺激時的最大內向鈣離子流、最大外向鈣離子流和細胞質內鈣離子的濃度；
根據所述植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流和所述最大內向鈣離子流確定所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值和參數；
根據所述最大外向鈣離子流和所述細胞質內鈣離子的濃度確定所述植物細胞的外向鈣離子流的統計值；
根據所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值和所述植物細胞的外向鈣離子流的統計值確定所述溫度變化刺激電流的統計值。
5、根據權利要求4所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，
當所述溫度變化為溫度由低到高變化時，所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值具體為
其中，IIN1為溫度由低到高變化時所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值，IIN0為所述植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流，IIN max為所述最大內向鈣離子流，
為溫度變化速率，K1＝1±0.5，n1＝3±0.5；
當所述溫度變化為溫度由高到低變化時，所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值具體為
其中，IIN2為溫度由高到低變化時所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值，IIN 0為所述植物細胞未受到所述外界刺激時的內向鈣離子流，IIN max為所述最大內向鈣離子流，
為溫度變化速率，K1＝1±0.5，n1＝3±0.5；
所述植物細胞的外向鈣離子流的統計值具體為
其中，IEX為所述植物細胞的外向鈣離子流的統計值，IEX max為所述最大外向鈣離子流，T為攝氏溫度，T0為初始攝氏溫度，[Ca2+]c為所述細胞質內鈣離子的濃度，Km＝0.5±0.5，n2＝2±0.5，Q＝10±0.5；
所述溫度變化刺激電流的統計值具體為
Itemp＝-VC·zCa·F·(IIN-IEX)/ACap，
其中，Itemp為所述溫度變化刺激電流的統計值，IEX為所述植物細胞的外向鈣離子流的統計值，IIN為所述植物細胞的內向鈣離子流的統計值，當溫度變化為溫度由低到高變化時，IIN＝IIN1；當溫度變化為溫度由高到低變化時，IIN＝IIN2；ACap為所述植物細胞的細胞膜面積，VC為所述植物細胞的體積，zCa為鈣離子的化合價，F為法拉第常數。
6、根據權利要求1所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，
所述離子通道包括鉀離子通道，所述根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導包括根據所述植物細胞中鉀離子通道的最大電導確定所述鉀離子通道的電導；所述鉀離子通道的電導具體為
GK＝GK_Max·n，
其中，GK為所述鉀離子通道的電導，GK_Max為所述鉀離子通道的最大電導，n為激活因子，取值范圍為0～1，n的變化量為
Δn＝(αn(1-n)-βnn)·Δt，
其中，Δn為n的變化量；αn、βn為所述植物細胞受到外界刺激時激活過程中所述鉀離子通道的開關速率，
βn＝1.56exp(-V/23.4)，
其中，V為所述初始細胞膜電位；則，
所述根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流包括根據所述鉀離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述鉀離子通道的電流；所述鉀離子通道的電流具體為
IKout＝GK(V-Er_K)
其中，IKout為所述鉀離子通道的電流，GK為所述鉀離子通道的電導，Er_K為所述鉀離子通道的逆轉電位，V為所述初始細胞膜電位；
所述離子通道包括氯離子通道，所述根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導包括根據所述植物細胞中氯離子通道的最大電導確定所述氯離子通道的電導；所述氯離子通道的電導具體為
GAnion＝GAnion_Max·m，
其中，GAnion為所述氯離子通道的電導，GAnion_Max為所述氯離子通道的最大電導，m為激活因子，取值范圍為0～1，m的變化量為
Δm＝(αm(1-m)-βmm)·Δt，
其中，Δm為m的變化量；αm、βm為所述植物細胞受到外界刺激時激活過程中所述氯離子通道的開關速率，
αm＝0.015exp[(V+150)/35.6]、βm＝0.83exp[-(V+24)/25.3]，
其中，V為所述初始細胞膜電位；則，
所述根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流包括根據所述氯離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述氯離子通道的電流；所述氯離子通道的電流具體為
IAnion＝GAnion(V-Er_Anion)，
其中，IAnion為所述氯離子通道的電流，GAnion為所述氯離子通道的電導，Er_Anion為所述氯離子通道的逆轉電位，V為所述初始細胞膜電位；
所述離子通道包括非選擇性陽離子通道，所述根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導包括根據所述植物細胞中非選擇性陽離子通道的最大電導確定所述非選擇性陽離子通道的電導；所述非選擇性陽離子通道的電導具體為
GX＝GX_Max·x2，
其中，GX為所述非選擇性陽離子通道的電導，GX_Max為所述非選擇性陽離子通道的最大電導，x為激活因子，取值范圍為0～1，x的變化量為
Δx＝(αx(1-x)-βxx)·Δt，
其中，Δx為x的變化量；αx、βx分別為所述植物細胞受到外界刺激時激活過程中所述非選擇性陽離子通道的開關速率，
βx＝0.96exp(-V/78.4)，
其中，V為所述初始細胞膜電位；則，
所述根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流包括根據所述非選擇性陽離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述非選擇性陽離子通道的電流；所述非選擇性陽離子通道的電流具體為
IX＝GX(V-Er_X)，
其中，IX為所述非選擇性陽離子通道的電流，GX為所述非選擇性陽離子通道的電導，Er_X為所述非選擇性陽離子通道的逆轉電位，V為所述初始細胞膜電位。
7、根據權利要求1所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，所述植物細胞的漏電流具體為
IL＝gL(V-EL)，
其中，IL為所述植物細胞的漏電流，V為所述初始細胞膜電位，gL為所述植物細胞的漏電導，EL為所述植物細胞的漏電壓；
所述植物細胞的質子泵電流具體為
其中，IH為質子泵電流，V為所述初始細胞膜電位。
8、根據權利要求1、3、4、5、6或7所述確定細胞膜電位的方法，其特征在于，所述植物細胞當前的細胞膜電位具體為
其中，V為所述初始細胞膜電位，V+ΔV為所述植物細胞當前的細胞膜電位，IStim為所述刺激電流的統計值，IKout為所述鉀離子通道的電流，IAnion為所述氯離子通道的電流，IX為所述非選擇性陽離子通道的電流，IL為所述植物細胞的漏電流，IH為所述植物細胞的質子泵電流，Cm為所述植物細胞的細胞膜電容；
所述植物細胞為保衛細胞時，當所述外界刺激為光線由暗到明所致的光強變化時，IStim＝ILight1；當所述外界刺激為光線由明到暗所致的光強變化時，IStim＝ILight2；當所述外界刺激為溫度變化時，IStim＝Itemp；當所述外界刺激為溫度變化和光強變化，且光強變化為光線由暗到明所致的光強變化時，IStim＝ILight1+Itemp；當外界刺激為溫度變化和光強變化，且光強變化為光線由明到暗所致的光強變化時，IStim＝ILight2+Itemp；
所述植物細胞為葉肉細胞時，當所述外界刺激為光強變化時，IStim＝ILight3；當所述外界刺激為溫度變化時，IStim＝Itemp；當所述外界刺激為溫度變化和光強變化時，IStim＝ILight3+Itemp。
9、一種確定細胞膜電位的裝置，其特征在于，包括
檢測模塊，用于檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位，當所述植物細胞受到外界刺激時，對所述植物細胞進行檢測，獲得所述植物細胞的刺激電流的檢測值、所述植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及所述植物細胞的漏電導和漏電壓；
電流確定模塊，用于根據所述檢測模塊檢測的植物細胞的刺激電流的檢測值確定所述刺激電流的統計值；根據所述植物細胞中各離子通道的最大電導確定所述各離子通道的電導，并根據所述各離子通道的電導、逆轉電位和所述初始細胞膜電位確定所述各離子通道的電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位、漏電導和漏電壓確定所述植物細胞的漏電流；根據所述植物細胞的初始細胞膜電位確定所述植物細胞的質子泵電流；
電位確定模塊，用于根據所述電流確定模塊確定的刺激電流的統計值、所述各離子通道的電流、所述植物細胞的漏電流和所述植物細胞的質子泵電流，確定所述植物細胞當前的細胞膜電位。
10、根據權利要求9所述確定細胞膜電位的裝置，其特征在于，還包括
生理變化狀態確定模塊，用于根據所述電位確定模塊確定的植物細胞當前的細胞膜電位，確定所述植物細胞受到所述外界刺激時的生理變化狀態。
全文摘要
本發明公開了一種確定細胞膜電位的方法和裝置，該確定細胞膜電位的方法包括檢測植物細胞未受到外界刺激時的初始細胞膜電位；當植物細胞受到外界刺激時，對植物細胞進行檢測，獲得該植物細胞的刺激電流的檢測值、該植物細胞中各離子通道的最大電導和逆轉電位、以及該植物細胞的漏電導和漏電壓；根據上述檢測結果確定刺激電流的統計值、各離子通道的電流、漏電流和質子泵電流；根據刺激電流的統計值、各離子通道的電流、植物細胞的漏電流和所述植物細胞的質子泵電流，確定植物細胞當前的細胞膜電位。從而實現了獲得植物細胞受到外界刺激時細胞膜電位的定量分析結果，為準確反映植物細胞受到外界刺激時的生理變化趨勢提供了技術支撐。
文檔編號C12Q1/02GK101592625SQ20091008871
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月8日 優先權日2009年7月8日
發明者嵐 黃, 王忠義, 顏小飛 申請人:中國農業大學