電阻抗圖譜法研究植物水分生理初探

衛世珍，任建武,郝佳美，姚洪軍,李增良

(1.河津市林業局，山西 河津 043300；2.北京林業大學生物科學與技術學院,北京 100083；3.河北省林草花卉質量檢驗檢測中心,河北 石家莊 051130)

電阻抗譜(Electrical Impedance Spectroscopy，簡寫為EIS)，早期的電化學文獻中稱為交流阻抗(AC Impedance)，原本是電學中研究線性電路網絡頻率響應特性的一種方法。測定植物組織和器官的電阻抗圖譜能夠獲得其基本生理學信息，EIS法可以實現非破壞性地測定胞內電阻、胞外電阻和膜變化。一般認為細胞對低頻電流(f<1 000 Hz)有高的阻抗，低頻電流只在胞外間隙流動。細胞膜的阻抗隨頻率的提高而下降。在足夠高的頻率下，電流能夠直接通過胞內，總阻抗由胞內和胞外電阻組成。在高頻電流下，胞內和胞外電阻形成一個并聯電路。當交變電流通過植物組織時，通過胞外間隙和胞內的比例取決于頻率和組織特性。該組織的結構特性和生理特性可用等效電路分析進行量化。活體植物葉肉細胞失水的過程首先發端于質外體，就某個單一細胞來說，先是細胞壁失水，隨后原生質體的水分流向細胞壁；若細胞失水過程不斷持續，當膨壓小于零時，葉片開始萎蔫；如果細胞失水嚴重，則會發生質壁分離導致永久性萎蔫。由于細胞含有大量電解質，水分狀況的變化必然引起電阻抗譜的改變。所以，可以用電阻抗來研究植物對干旱脅迫的響應。

1 材料與方法

選取北京林業大學校園內的欒樹、楸樹、小葉黃楊和室內盆栽綠蘿為試驗材料，在7月供試植物旺盛生長季節進行試驗。上午10點，用剪刀剪取帶柄葉片，隨即將葉柄插入水中。帶回實驗室后將剪取的葉片在清水中浸泡0.5 h，取出用濾紙吸干葉片表面水分，葉柄用貯水小管密封保護,在HAMEG PROGRAMMABLE LCR BRIDGE HM8118儀器上測定。試驗材料分為1 000 μmolphoto/(nm2·s)人工光照和未加人工光照2組。系統工作在頻率掃描狀態下，通常驅動電流頻率為20 Hz～200 kHz，頻率按照對數遞增(logf)，從2到7，每次遞增約0.1，每次掃描時間40 s～50 s.盡可能減少驅動電流對組織的損傷，驅動電流值選用0.5 mA.

2 結果與分析

2.1 綠蘿葉片失水過程分析

照光和未照光綠蘿葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜見圖1.

從圖1-1可以看到，水分充足時，低頻電流下綠蘿葉肉容抗很高；作為天南星科室內觀葉植物，由于來自熱帶高濕地區，綠蘿葉片持水能力很弱，葉片水分容易散失，離體20 min后，葉肉細胞水分便急劇減少。在高頻電流驅動下，綠蘿葉片的容抗迅速降低，葉片含水量對容抗值影響不明顯。如圖1-2所示，綠蘿葉肉細胞阻抗隨著水分散失和驅動電流頻率增高而降低。葉肉細胞的電解質濃度越高，其導電能力越強。高頻下，電流可以通過質膜包被的原生質，就單個葉肉細胞來說，細胞壁和細胞質組成并聯電路，電阻下降。水分充足時，葉肉的阻抗明顯較高。由圖1-3可知，未經人工光照的綠蘿葉片失水過程中容抗值并沒有表現出規律性變化，只是隨電流頻率升高迅速降低。圖1-4可以看出，未經人工光照的綠蘿葉片失水過程中阻抗值并沒有表現出規律性變化，在不同程度的失水狀態下隨著電流頻率升高，阻抗都呈現減小趨勢。

圖1 照光和未照光綠蘿葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜

2.2 楸樹葉片失水過程分析

照光和未照光楸樹葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜見第29頁圖2.

由圖2-1可知，楸樹葉片即便是在照光的條件下，失水速度也較慢；在驅動電流頻率高于100 Hz時，不同失水狀態下的葉片容抗趨于一致。因此研判容抗與楸樹葉片水分生理關系時，可在100 Hz以下的低頻率選取較多頻率點。如圖2-2所示，楸樹離體照光葉片隨著水分的散失，阻抗減小。電流頻率升高過程中，阻抗譜降低緩慢，所以楸樹葉片阻抗的主要組分應該是質外體。值得注意的是，在各個驅動電流頻率點上，葉片水分越多，阻抗值越高。從圖2-3和2-4可知，未經照光的楸樹葉片水分散失速度很慢，這一特征在參試植物中表現突出，但是依然以含水量高者阻抗最低。

圖2 照光和未照光楸樹葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜

2.3 欒樹葉片失水過程分析

照光和未照光欒樹葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜見第29頁圖3.

圖3 照光和未照光欒樹葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜

由圖3可知，欒樹葉片失水速度較快，驅動電流頻率近1 000 Hz時，各種水分狀態下的容抗值趨于一致。水分含量高，則低頻下容抗值高。欒樹葉片在頻率達到100 kHz的電流驅動時，阻抗值在不同水分條件下趨于一致。未照光欒樹葉片失水速度變慢，可見，欒樹為陽性樹種，容抗以失水40 min時最高。欒樹葉片失水后，阻抗值開始降低，但是隨著失水的加劇，到一定程度后，阻抗值開始升高，可能是葉肉細胞發生質壁分離所致。

2.4 小葉黃楊葉片失水過程分析

照光和未照光小葉黃楊葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜見第30頁圖4.

由圖4可知，小葉黃楊照光下水分散失速度不快，各個水分狀態下的容抗值拐點出現在電流頻率100 Hz以上。經過照光的小葉黃楊在輕度失水時，阻抗值很低，電流通過迅速；隨著失水的加劇，阻抗值呈現升高趨勢。照光與否對小葉黃楊的水分散失影響不明顯，在未施加人工光照條件下，容抗值隨著水分散失表現為規律性變化，水分散失越多，容抗值越低。未經照光的小葉黃楊，隨著水分減少，阻抗值升高，且電流頻率影響趨于增大。水分充足時，阻抗值以細胞壁組分變化為主。

圖4 照光和未照光小葉黃楊葉片失水過程中容抗變化和阻抗譜

3 結論與討論

根據本試驗結果可知，高頻電流有利于通過植物細胞，阻抗譜與植物葉片水分狀況的關系因植物種類變化很大。容抗、阻抗一般在低頻電流狀態下差異較大，試驗可在100 Hz處設置更多頻率點。

盡管阻抗譜作為非損傷探針對于研究生物組織內部生理狀態有著重要作用，但是以往的研究成果較少，特別是在植物水分生理方面，尚處于新型領域。本研究只是做了初步嘗試，試驗規模偏小，試驗設計方面還有不足之處，需要在以后的研究中加以完善。另外，植物水分生理的研究，離不開水勢、膨壓、滲透壓等直接參數的支撐，將來有待于在阻抗譜與這些參數之間建立回歸方程，使阻抗譜測定在植物水分生理的研究中達到數量化水平。