基于新型SIET的植物电活动离子机理研究

Electrical signals are probably the initial response of the plant to an exterior stimulus, namely information is represented by changes in plasma membrane potential. In fact, the ion mechanism of repolarization in plasma membrane potential is still ambiguous based on the present knowledge. For the time course of repolarization of plant membrane potential lasting from a few seconds to several minutes, a novel non-invasive SIET(Self-referencing ion selective electrode technique) based on Nernst-Planck equation is proposed to measure the ion flux of transmembrane; to clarify mechanism on repolarization of the plant plasma membrane potential , the ions fluxes and membrane potential of a intact plant cell are recorded simultaneously to determine which ions are actively involved in the establishment and modulation of electrical potentials.Combining diverse data of ion fluxes and electrical activity induced by stress will vastly expand abilities for modified Hodgkin–Huxley model of plant to elucidate physiological significance. Moreover, the research will not only enrich and update the research content of bioelectronics but also provide scientific evidence for using electrical signal to evaluate the tolerance of abiotic stress.

植物电信号是植物体对外界刺激的最初反应，而细胞膜电位变化是高等植物电信号的信息表达形式。细胞膜电位变化有其离子基础，目前的国内外研究者及申请者前期工作表明：植物细胞膜电位复极化过程中的离子机理很不明确，亟待深入研究。申请者针对植物细胞膜电位复极化过程长达数秒、数分钟的现象，提出基于Nernst-Planck方程的新型SIET(Self-referencing ion selective electrode technique)无损方法，获得植物细胞离子流信息；结合电生理学方法，研究离子流与细胞膜电位变化之间的同步关系，探明高等植物细胞膜电位复极化过程中的离子机理，完善植物修正Hodgkin–Huxley 模型，使其具有明确的生理意义，并可反映逆境下的植物细胞、器官及整体的植物电活动，丰富发展生物电子学的研究内容，最终为作物抗逆品种筛选研究提供科学依据。

本研究针对植物细胞膜电位复极化过程长达数秒、数分钟的现象，提出了基于Nernst-Planck方程的新型SIET(Self-referencing ion selective electrode technique)无损方法。开展了K+、Ca2+、H+、Cl-离子选择性微电极制备方法研究；研制多通道SIET系统，利用人工离子源校正，系统稳定可靠，可准确获得植物体细胞、植物组织体外离子流信息；结合电生理学方法，研究了离子流速与细胞膜电位变化之间的同步关系，初步解释了植物细胞膜电位变化过程中的离子动力学机理，在为更好地明确植物电信号的生理意义提供支撑；研究了盐胁迫下K+、Ca2+、H+、Cl-的离子流速、植物细胞电位、植物表面电位的变化规律，丰富了发展生物电子学的研究内容，将为作物抗逆品种筛选研究提供科学依据。在完成本项目时，课题组还发现了新的科学问题，需要在以后工作中，进一步深入研究和解决：植物耐盐性与体内外离子活度动态分布关联规律是什么，如何测量，它的生物学机理是什么，能否可以指导耐盐品种选育。