系统生物学是系统科学、信息科学、生命科学的一门前沿交叉科学,其特点在于以系统论为指导,认为生物系统行为是通过其组分之间广泛相互作用的结果,强调从整体层次去研究和量化生物系统的行为,从而使我们对生命的认识更加深入,使生物学的知识被简化和量化。细胞代谢网络的研究是目前系统生物学的一个非常活跃的前沿领域,它不仅需要有效的数据挖掘方法来整合和充分利用海量的异质和异源数据,还需要对基因调控的生物学知识有深层次的理解。系统生物学的基础是建立合理的数学模型。在本研究中,我们针对C₃植物叶绿体光合作用代谢网络,采用基于化学计量矩阵信息的流平衡分析模拟方法以及在此基础上发展起来的代谢动态流平衡分析方法,研究在缺水或高CO₂浓度扰动下光合作用系统的动态动力学特征。我们将C₃植物叶绿体光合作用代谢网络的机制简化为能量代谢部分及碳固定部分,以模拟为核心,模拟的数据基础来源于整合进来的生物功能信息,模拟的结果用可视化的方式输出。本文的主要工作如下:1)简化并重建了C₃植物叶绿体光合作用代谢系统。要了解细胞的代谢变化过程,必须对细胞内的各类代谢物进行全面和系统的测量,根据各种物质的变化来构建复杂的代谢网络。但是,就目前的生物实验测量技术而言,尚不能得到所有生物大分子和相关物质的这些数据。通过简化化学反应机理,可以大大减少描述化学反应所需要的自由度数目,降低反应方程的维数并极大地简化反应方程的形式,与直接积分详细反应机理对应的反应方程相比,节约计算时间。2)利用以最优控制理论为基础的动态流平衡分析方法对其建模。为了能描述光合作用代谢网络的动态特性及非线性本质,我们引入了动态流平衡分析,并采用非线性插值有限元法,对基于正交点参数化的非线性拟合求解。3)探讨了光合作用代谢系统在应对突发的扰动情况时可能的系统调节机理。在自然条件下,没有一种环境条件恒定不变,也很少有各种环境都适合于光合作用的高效率。我们以代谢流分布的最小调整为优化目标,探索了缺水和高CO₂浓度扰动系统的动态行为。4)为了提高模拟的精度,我们通过添加更多的等式或不等式约束条件使模型更具合理性和准确性,并采用M-DFBA方法对光合作用代谢网络再次进行仿真。模拟结果符合实验报道,而且充分展示出外界压力胁迫下光合作用代谢网络对各种营养物质利用的调节,有助于我们探讨发生扰动时复杂代谢系统最优目标的变化和潜在的机制。5)针对光合作用代谢网络复杂的动态系统特性,我们进一步采用熵互信息的数学方法,对代谢流之间出现高度互相依赖的关系,通过互信息测度进行度量。结果表明,在外界环境压力胁迫下,远离平衡态的植物光合作用代谢系统,不断进行代谢流的调整,将系统的不确定分布状态最终迭加起来从而显示出一种共同性,即整体上的有序性。这种协同性作用反映出扰动条件下系统内部代谢途径本身的精妙调节和相互间的协调关系。6)在构建和模拟C₃植物光合作用代谢网络的基础上,我们以C₃植物小麦为例进行验证,获得了一致性的结果,并得到更多对系统变化复杂的潜在机制的认识。结果支持我们简化光合作用代谢网络的可行性,而且验证了模型的可靠性及稳定性。小麦光合作用代谢系统对外界环境扰动的响应机理分析,有助于寻求如何降低C₃作物的光呼吸消耗,以增加光合速率,进而提高作物产量的途径。