选择性微电极在植物生理学研究中的应用（三）

3        在植物生长发育研究中的应用

光通过光周期和非光周期过程影响着叶片的展开。选择性微电极能探测到光诱导引起的与叶片生长有关的离子或分子信息。Zivanovic等（2005）利用选择性微电极比较了白光（2600 μmol·m^-2·s^-1）下及结合使用DCMU后的玉米叶片不同区域（叶基部和叶顶部）的H⁺、K⁺和Ca²⁺流量，结果表明，去表皮叶片的叶基部和叶顶部离子流量无显著差异，留表皮的叶片的叶基部和叶顶部离子流量有显著差异，并推测，光诱导引起的叶表皮K⁺流（动）是叶片展开必需的，叶肉细胞K⁺流的变化可能只是起着平衡电荷的作用；光诱导的Ca²⁺内流既不直接引起叶片展开，也不直接贡献光合行为表现。该研究表明，选择性微电极探测到的光引起离子流的变化既与叶片生长相联系，也与光合作用有关。更有趣的是，Shabala和Newman（1997a）用H⁺、Ca²⁺微电极研究玉米根不同区域的回旋转头运动（circumnution）与H⁺、Ca²⁺的流动关系时，发现根伸长区的H⁺流动与玉米根的回旋转头运动关系密切。认为H⁺流的振动（oscillation）可能参与了根的回旋转头运动。

菌根是土壤中特有的真菌与植物根的共生联合体。植物有了菌根，就可以通过无数细长菌丝和菌索吸收土壤中的营养和水分，扩大根系的吸收面积，提高吸收能力。选择性微电极可直接置于植物活的外生菌根（ectomycorrhizae）表面，研究单个菌根对不同离子吸收或释放的情况（Plassard等 2002）。这为在含有不同离子的土壤上种植喜好该土壤中离子的菌根植物，提供了一种方便快捷的方法。由此看来，微电极技术还可以用来研究不同生活习性的植物根系对离子吸收的嗜好，为不同植物种植于不同离子含量的土壤中提供理论依据。

近几年，选择性微电极技术发展较快，除了能用于测定植物体H⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Cl^-、NO₃^-、NH₄⁺、Cd²⁺（Piñeros等 1998）、Mg²⁺（Shabala和Hariadi 2005）离子信息，还能测定O₂信息(Xu等 2006；Pang等 2006；Shabala等 2006）。如，Xu等（2006）利用H⁺微电极和O₂极谱电极同时测定了百合花粉管生长过程中H⁺和O₂进出的变化。结果表明，在花粉管碱化区域的H⁺表现为外流，而O₂表现为内流，因此，推测花粉管碱化区域有丰富的活跃的线粒体。

上述研究结果充分说明，选择性微电极技术能单独地用来有效测定植物生长发育过程中所需的各种矿质元素、H⁺、O₂等的含量和它们之间的关系，这对人们研究植物根系的生长及其对土壤中各种营养元素的吸收过程提供了一个极为有效的手段。

4   在植物信号转导研究中的应用

Ca²⁺是植物活细胞信号转导过程的重要第二信使，通过许多种依赖钙的调节蛋白和功能蛋白，钙信使几乎在植物细胞的所有信号转导途径中发挥着重要作用。触摸、病原物侵染、植物激素、逆境(包括盐胁迫、氧化胁迫、低温、高温、干旱等)均能引起胞内Ca²⁺水平改变。这种变化通过启动胞内生理生化过程，起着传递和放大信号的作用(Bush 1995)。

Bjorkman和Cleland(1991)采用Ca²⁺微电极测定玉米根尖表面Ca²⁺的流（动），发现在受重力刺激的根尖内外存在一个Ca²⁺梯度。该Ca²⁺梯度似乎具有信号传递功能。随着Ca²⁺微电极技术的不断应用，人们发现Ca²⁺流（动）还涉及到植物对各种环境胁迫的反应。如，Huang等（1992）认为Al³⁺能抑制对Al³⁺敏感小麦品种对Ca²⁺的吸收，而不抑制耐Al³⁺小麦品种对Ca²⁺的吸收。Halperin等（1997）发现在盐胁迫下大麦根尖对Ca²⁺的吸收下降，而其他区域则不下降。Vincent等（2005）比较了野生型和突变体拟南芥根毛外部Ca²⁺的流（动）情况，发现缺失AtSfh1p的根毛的Ca²⁺信号传递异常。Felle等（2000）利用Ca²⁺和H⁺微电极考查(GlcNAc)_n和Nod factors对苜蓿(Medicago sativa subsp. sativa cv Sitel)根毛细胞内Ca²⁺和H⁺活度的变化及细胞防御反应的关系时，发现(GlcNAc)_n和Nod factors与根毛共生及防御相关的信号感受位点不同，而且由它们引起的胞内Ca²⁺活性或者pH的变化及其下游响应也不一样。

Shabala和Newman(1997b)用H⁺微电极测定了对骤冷敏感的黄瓜、南瓜，不敏感的豌豆，蚕豆及中度敏感的玉米等5种作物根表面H⁺的运输情况，观察到经过4℃冰箱冷胁迫处理1.5 hr的植物根系表面的H⁺，开始几分钟都表现为外流，只是耐冷的豌豆和蚕豆的H⁺外流持续时间短些（3~4 min），而冷敏感的黄瓜和南瓜的H⁺外流持续时间长（8~12 min），而且耐冷的豌豆和蚕豆的ACT1（associated with H⁺ minimum）和ACT2（associated with H⁺ maximum）显著的低于冷敏感的黄瓜和南瓜的。并认为离子流(动)的进一步研究也许能指明胞内感受骤冷胁迫的位点及其信号传导途径。

Hanstein和Felle(2002)用Cl^-微电极研究观察了CO₂对蚕豆保卫细胞及其质外体中的Cl^-活性。结果表明，CO₂浓度从350 μl/L增至600 μl/L时，质外体的Cl^-活性在10 min内就从3 mmol·L^-1增加到14 mmol/L，这表明大量Cl^-从保卫细胞流出。这种Cl^-反应与关闭光源所引起的Cl^-外流相似。CO₂引起的Cl^-外流暗示有一个来源于CO₂的中间效应器，它能激活保卫细胞原生质膜上的阴离子通道，从而引起Cl^-外流。Tegg等（2005）利用非损伤离子流测定技术探测到了植物组织（根、花粉管）因使用thaxtomin A（一种植物毒素）而引起的Ca²⁺和H⁺流量变化，并认为具有组织特异性的Ca²⁺、H⁺流量的快速变化，是thaxtomin A引发的早期信号，是植物感知病原体的关键方式。

上述结果说明，超灵敏的选择性微电极可以应用于离子的极微量变化的信号探测。