Electrode insertion generates slow propagating electric potentials in Myriophyllum aquaticum plants  

電極插入在狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）植物中產(chǎn)生緩慢傳播的電位  

來源：Plant Signaling & Behavior, Volume 15, Issue 3, 2020, Article ID 1734332  

《植物信號與行為》，第15卷，第3期，2020年，文章編號1734332  

 

摘要  

將微電極插入植物以記錄電電位時，可能會因干擾植物組織而產(chǎn)生電電位響應(yīng)。本研究記錄了將Ag/AgCl玻璃微電極插入狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）中柱時所觸發(fā)的電電位。電極插入觸發(fā)了一個系統(tǒng)電位（system potential），該電位沿著莖的中柱傳播。微電極檢測到了由其自身插入所觸發(fā)的這種電電位，并且在所有評估的植物中，該電電位是相同的。電電位隨時間的變化記錄了兩個顯著的峰值，分別為31.9±1.8 mV和17.1±4.3 mV。大約50-70分鐘后電電位重新極化（repolarized），穩(wěn)定后的電電位比植物的初始電電位高6.5±2.5 mV。使用濕潤蒸餾水或1 M KCl的非生物海綿棒進行的對照實驗證實，這些峰值 solely 是由于莖中的電電位產(chǎn)生的。這些信號可以被識別為系統(tǒng)電位（system potentials）。這種系統(tǒng)性的電電位可能在遠處位置產(chǎn)生刺激響應(yīng)，這有待在進一步研究中驗證。

 

研究目的  

本研究旨在初步探究將玻璃微電極插入水生植物狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）的莖部時，其本身如何作為一種刺激，觸發(fā)并產(chǎn)生可傳播的電電位信號（特別是緩慢傳播的系統(tǒng)電位，System Potential, SP），分析該電位的時空變化特征，并評估電極插入后電位重新極化（repolarization）的過程。此為首次對狐尾藻的電信號進行研究，旨在為后續(xù)該植物的電信號研究提供基礎(chǔ)并規(guī)避實驗干擾。

 

研究思路  

1.  植物準備與實驗設(shè)置：從儲備培養(yǎng)中選取健康、挺水的狐尾藻莖段，種植于盛有河沙和10%霍格蘭氏營養(yǎng)液的玻璃缸中，在可控光溫條件下培養(yǎng)。實驗前一天將植株轉(zhuǎn)移至法拉第籠內(nèi)，以屏蔽外部電磁干擾。

2.  電電位（EP）測量：使用兩個Ag/AgCl凝膠穩(wěn)定化的玻璃微電極（Unisense REF-25）作為讀取電極和參考電極，以約7厘米的間距插入狐尾藻莖的中柱（stele）部位（深度為莖半徑的一半）。參考電極先插入并穩(wěn)定約2.5小時后，快速（5-8秒內(nèi)）插入讀取電極。電極連接至高靈敏度mV計（Unisense mV-Meter），通過Sensor Trace BASIC軟件以1 Hz采樣率連續(xù)記錄數(shù)據(jù)至少2.5小時或直至電位重新穩(wěn)定。

3.  對照實驗：為了確認觀察到的電位變化源于植物組織而非電極本身或測量系統(tǒng)，將相同的微電極以6厘米間距插入一個用蒸餾水或1 M KCl濕潤的圓柱形海綿棒（非生物材料）中，并記錄其電位變化。

4.  數(shù)據(jù)分析：將每個實驗的初始EP值歸一化為零以便比較。識別并統(tǒng)計所有重復實驗中電位曲線的共同特征點（如峰值、谷值、穩(wěn)定值），并計算其平均值和標準差。使用t檢驗和方差分析（ANOVA）進行統(tǒng)計學顯著性檢驗。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1.  電電位隨時間的變化曲線（來自圖3a）：記錄了電極插入后長達數(shù)十分鐘內(nèi)EP的連續(xù)動態(tài)變化。該數(shù)據(jù)直觀展示了電極插入觸發(fā)了一個具有特定模式（雙峰特征）的、緩慢變化的電信號，證明了插入操作本身是一種有效的刺激，并首次在狐尾藻中揭示了系統(tǒng)電位（SP）的存在和其典型特征。

 

2.  特征電位值（來自圖3b）：測量并統(tǒng)計了第一個峰值（31.9 ± 1.8 mV）、中間的谷值、第二個峰值（17.1 ± 4.3 mV）以及重新極化后的穩(wěn)定電位值（比初始值高6.5 ± 2.5 mV）。該數(shù)據(jù)量化了SP的關(guān)鍵參數(shù)，表明盡管個體間存在微小變異，但響應(yīng)模式在物種內(nèi)是保守和可重復的，并且電極插入會永久性地改變組織的靜止電位。

3.  電位變化速率（來自正文結(jié)果部分）：計算了電位上升期（0.036 ± 0.008 mV/s）、下降期（0.021 ± 0.007 mV/s）和第二次上升期（0.009 ± 0.004 mV/s）的速率。該數(shù)據(jù)表明SP的傳播和變化是緩慢的過程，其不同階段的動力學特征存在顯著差異，這有助于將SP與其他快速電信號（如動作電位AP）區(qū)分開來。

4.  對照實驗的電位記錄（來自圖4）：記錄了電極插入濕潤海綿棒（蒸餾水或1 M KCl）后的電位變化，其電位值很小（1.5-2.9 mV）且保持線性穩(wěn)定，無顯著波動。該數(shù)據(jù)至關(guān)重要，它排除了測量系統(tǒng)、電極本身或非生物離子導電材料產(chǎn)生所觀察到的復雜電位信號的可能性，強有力地證實了雙峰電位信號是活體植物組織特有的生物電響應(yīng)。

 

結(jié)論  

1.  將微電極插入狐尾藻莖部中柱的行為本身會觸發(fā)一個可傳播的電信號，該信號被鑒定為系統(tǒng)電位（SP）。其特征是傳播速度緩慢、具有特定的時間動態(tài)（雙峰形）以及需要長時間（50-70分鐘）才能重新達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.  該SP響應(yīng)在個體間具有高度的一致性（相同的模式），表明它是該物種一種固有的、可重復的電生理現(xiàn)象。

3.  電極插入后，組織的靜止電位會發(fā)生永久性的改變（穩(wěn)定電位高于初始電位約6.5 mV），這表明插入操作對植物組織造成了持久的影響。

4.  本研究首次在狐尾藻中報道了系統(tǒng)電位，強調(diào)在設(shè)計和解讀植物電生理實驗時，必須考慮電極插入本身作為一種刺激所帶來的潛在干擾和信號源。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的Ag/AgCl凝膠穩(wěn)定化玻璃微電極（REF-25型）和高靈敏度mV計（mV-Meter）進行測量，這一技術(shù)選擇具有關(guān)鍵的研究意義：

1.  高靈敏度與穩(wěn)定性：Unisense微電極專為測量微小離子濃度和電位變化而設(shè)計，具有極高的靈敏度（>0.1 μV）和穩(wěn)定性。其Ag/AgCl凝膠填充電極能提供穩(wěn)定的參比電位，最大限度地減少了電極電位漂移，這對于需要長時間（數(shù)小時）連續(xù)、穩(wěn)定記錄緩慢變化的SP信號至關(guān)重要。普通金屬絲電極難以達到所需的長期穩(wěn)定性。

2.  抗干擾能力：該電極系統(tǒng)與法拉第籠配合使用，能有效屏蔽外部環(huán)境中的電磁噪聲和無線電頻率干擾。這使得研究者能夠精確地捕獲并記錄源自植物本身的、幅度為毫伏級的微弱生物電信號，而不會被環(huán)境噪聲所淹沒。

3.  精確的時空記錄：通過Sensor Trace BASIC軟件以1 Hz的采樣率進行連續(xù)記錄，能夠完整地捕捉到SP緩慢的動態(tài)變化過程（峰值出現(xiàn)的時間尺度在十分鐘級別），從而準確描繪出其雙峰形態(tài)和變化速率，這是定義SP特征的關(guān)鍵。

4.  可靠性驗證：論文中特意進行的對照實驗（使用海綿棒）本身就依賴于Unisense電極的高可靠性。因為只有在確認電極系統(tǒng)自身在非生物體系中幾乎不產(chǎn)生信號的前提下，才能令人信服地將狐尾藻中記錄的復雜電位變化歸因于生物來源。

 

綜上所述，使用丹麥Unisense的專用微電極系統(tǒng)為本研究提供了可靠、高精度且抗干擾的技術(shù)保障，使得首次在狐尾藻中識別和表征緩慢傳播的系統(tǒng)電位（SP）成為可能。