植物电信号的获取及分析方法研究现状

廖小玲, 周志斌, 叶大鹏, 罗志聪

(福建农林大学机电工程学院/现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002)

植物无时无刻都暴露在各种复杂的外界环境当中[1-2]，为了更好地生长和适应生存环境，它们必须具有快速准确识别外界环境刺激的能力，因此，植物通过产生各种类型的电信号来响应这些环境的变化[3-5].对植物电信号的研究引起众多学者的重视，特别是植物电信号的获取和分析方法的研究受到更加广泛的关注.

植物电信号是参与植物生理调控、传送相关生长信息的重要生理信号，其在植物体内广泛存在[6]，是植物受到外界刺激后产生的最初反应[7].植物在不同外界刺激下会产生电信号变化，因此可以通过植物电信号的变化来检测外界环境的变化情况.这在设施农业、信息化农业中有着很大的作用，如可以将其作为温室、大棚等生产调控因素的一个重要参考依据[8]，营造作物自身最适宜的生长环境，达到最佳的生产效益；其次，也可以作为检测自然环境质量的一个重要手段[9].

植物电信号是一种复杂的随机信号，属于微弱低频信号，而且采集到的信号通常还含有各种噪声干扰[7].因此，植物电信号的准确获取及精准分析还需要深入研究.本文从植物电信号的发现及基本特征、外界刺激对植物的影响、植物电信号的获取与分析方法等几个方面，对前人的研究成果进行了归纳和总结，以期为今后的研究工作提供依据.

1 植物电信号的发现

植物电信号的发现距今已有一百多年的历史，Sanderson[10]首次证明了动作电位的存在，为后续植物电信号的进一步研究奠定了基础.1894年达尔文证明化学信号可以在植物体内传播，这一发现使得更多研究人员将注意力转移到植物化学信号，也导致植物电信号的研究在这一段时间有所停滞.由此认为动物存在神经系统产生的电信号，植物同时存在化学信号和电信号[11].随着动物激素的发现和内分泌学的发展，更多的研究表明动物也有化学信号.1924年博斯分离了蕨类植物的维管束[12]，表明植物能够对外界刺激做出反应，并以电信号的形式进行传播；皮卡德对施加机械刺激的豌豆测定动作电位[13-14]，并详细阐述了植物电信号的许多重要作用，奠定了植物电信号研究的基础；施罗德证明植物体内存在离子通道[15].娄成后提出乙酰胆碱同时兼有递质和激素的两种作用，而且进一步提出 “电化学波”的概念[16].黄兰等应用分类处理方法[17]，分析植物电信号与外界环境刺激的关系.随着植物电信号的深入研究，研究人员发现通过外界刺激产生的电信号不仅出现在一些低等植物(如藓类、苔类、地衣、菌类和藻类等)中，而且在高等植物(如含羞草、捕蝇草、番茄和黄瓜等)中也起着非常重要的作用；通过对外界刺激产生植物电信号的研究，能够将植物作为环境传感器感知外界环境情况，也可实现温室等农业环境的监测.

2 植物电信号的基本特征

植物电信号是由细胞膜电位的变化引起的细胞之间或者组织之间的电位波动，通过研究者的大量试验探究与分析，结果表明植物电信号具有以下基本特征.

(1)植物电信号是一种低频、微弱信号，正常生长状态下测得的植物电信号频率主要是在5 Hz以下.

(2)目前记录得到的植物电信号都含有一定程度的噪声干扰信号，基本都需要进行降噪处理，进一步提取有用信号.

(3)植物电信号还具有非平稳和非线性的特点，是一种时变随机信号.

(4)植物电信号类型多，主要是由局部电位、动作电位、变异电位和系统电位构成.局部电位是由外界环境刺激引起的非传导性电位变化，只在植物的局部产生，不会进行长距离传播；动作电位主要是由非永久性伤害的刺激引起的，是植物通过局部电位将外界刺激转化为膜电位的变化.当膜电位的变化超过某个阈值时就会诱发动作电位，动作电位一旦产生，无论刺激强度如何增大，其振幅或形状都不会改变，并通过胞间连丝在植物体内通过敏感韧皮部细胞膜以恒定的速度和振幅长距离传播[3].动作电位产生后，植物细胞膜进入不应期，在此期间不会有第2次脉冲传递.变异电位[4]是由伤害性刺激诱导产生的，其从刺激部位开始向外传播，波形强度和形状与刺激的类型和强度有关.而系统电位[5]不同于动作电位和变异电位，主要是由细胞膜的超级化产生的，不遵循全有或全无规则，取决于所施加刺激的强度和类型.植物体内的电信号往往包含上述多种类型的电信号.

3 外界刺激对植物的影响

3.1 光照

光对植物生理特性和生长速度的影响非常大，光照的强弱、时间都会影响植物生长发育.樊传辉等对烤烟幼苗进行强光胁迫，发现幼苗产生严重光抑制作用；使用Ca2+对幼苗进行进一步处理，表明Ca2+对于强光刺激下的烤烟幼苗所产生的光抑制能够起到一定的缓解作用[18-19].梁文娟等[20]研究黄瓜幼苗在弱光、亚适温、亚适温弱光胁迫下的光合作用情况，发现亚适温胁迫下黄瓜幼苗产生光抑制；在其他两种胁迫下，没有出现明显的光抑制作用，黄瓜幼苗有一定的适应性.杨玉凯等[21]研究不同光质对茄子幼苗叶片光合特性及叶绿素荧光参数的影响，结果表明5R/5B红蓝组合光能有效促进叶片的光合作用.植物保卫细胞对光具有高度的响应性，光刺激会产生膜电位的变化，这些细胞在光照下驱动K+的吸收，在黑暗中驱动K+的流出.Rob et al[22]对苔类植物进行光诱导试验，发现了动作电位的存在，而且动作电位可以通过胞间连丝传递到其他细胞中.Volkov et al[23]对大豆植物施加不同波长的光刺激，发现其产生了动作电位.Leduc et al[24]对木本植物施加不同强度光刺激，也检测到动作电位和变异电位.王晓琳等[25]研究燕子掌电信号随光照强度的变化情况，结果表明燕子掌电信号是一种微弱低频信号，其植物电信号随着光照度的增强而增强，最适宜的光照度为24 000～29 500 lx.上述研究提示光如何通过离子传导发生内部感应机制而产生电信号，这对于确定植物的最佳光照需求是非常重要的，可以根据植物电信号特征为植物生长提供光照.

3.2 化学刺激

通过了解化学物质如酸雨、化肥、杀虫剂等对植物产生电信号的影响，可做好防护措施.Volkov[26]使用硫酸溶液和硝酸溶液喷洒大豆，在pH值为0～4.9的硫酸溶液刺激下产生传播速度为50～55 cm·s-1的动作电位.丁桂英等[27]发现黄瓜在苯基甲磺酸酯类新型杀虫剂刺激下，植物电信号会随着杀虫剂浓度的增大而增大，电信号由连续动作电波信号变为幅度较小的电波振荡.Felle et al[28]对大麦施加CaCl2、KCl、NH4Cl溶液刺激，在大麦植物的叶片中测得动作电位，传播速度为20～30 cm·min-1；Shvetsova et al[29]分别使用FCCP(碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙)、PCP(五氯苯酚)、CCCP(羰基氰化物-3-氯苯肼)处理种植大豆植物的土壤，在大豆植物中检测出植物电信号(包含动作电位和变异电位)，动作电位约为60 mV，变异电位在48 h内降为0；Chatterjee et al[30]和黄岚[17]分别对黄瓜和小麦施加不同浓度的NaCl浓液刺激，记录相关刺激下植物电信号的变化情况，得到耐盐性植物的电信号特点.

3.3 冷热刺激

Volkov et al[31]在冷热刺激下对芦荟叶片不同位置进行植物电信号测定，这些信号传播速度为67～132 m·s-1，沿着芦荟的叶子传播，在叶片上以恒定的速度和幅度进行传播，而且进一步说明植物在热刺激下会产生热应激蛋白，帮助植物耐受极端温度.陆静霞等[32]采集了碧玉植物在热刺激下的植物电信号，并对其进行分析，建立预测模型.Dziubinska et al[33]对玉米施加冷刺激，在筛管中检测植物电信号情况，得到传播速度为3～5 cm·s-1的动作电位.Pereira et al[34]在冷刺激情况下采集大豆植物的电信号，对冷刺激下的电信号特征进行提取分析，有助于选取耐冷植物.对植物冷热刺激的研究有助于选取耐冷、耐热作物进行种植，提高作物产量.如果在自然条件下也能提取和研究这种植物电信号特征，那么就有可能将植物作为一种传感机制对一些极端天气等进行监测和防控.

3.4 机械损伤刺激

Bricchi et al[35]对植物的机械损伤和昆虫食草损伤进行探究，利用仿真机器(模拟蠕虫)对青豆植物进行机械损伤刺激，发现只有连续的机械损伤才会引起植物有机化合物排放，而且所诱导排放的有机化合物与昆虫食草引起的有机化合物排放是不一样的，表明植物对非生物和生物损伤的感知是不同的.Oyarce et al[36]主要是进行鳄梨植物电信号的监测试验，对植物进行机械损伤操作，修剪分枝和树木倾倒，观察植物响应信号的传播情况.在修剪损伤刺激情况下，观察到的电信号是以变异电位的形式从刺激点传播到主干和根部，平均速度为8.7 cm·s-1.随着刺激点与电极之间距离的增加，强度也随着距离的增加而减小.在倾斜情况下，观察到的变异电位大约以20 cm·s-1的平均速度向茎的上部和下部传播，表明植物对损伤的机械刺激具有真实的电信号响应.而对于植物内由于倾倒/剪枝刺激而产生的电信号来源，则认为主要是因为活性质子泵和ATP酶的作用，通过打开和关闭离子通道，能够在细胞质和细胞外环境之间进行离子交换，在细胞内部和细胞外部产生电势差[29].

4 植物电信号采集

4.1 采集技术

将植物电信号从植物体中提取出来是非常重要的，只有准确获取植物电信号才能根据试验目的对其进行分析研究.在电生理学基础的研究过程中，用于电信号记录的技术已经比较完善，基本能够依据试验目的采集到相关电信号，主要有电压钳技术、金属电极、微电级、表面电极、膜片钳测量技术和碳纤维技术等[37].目前对植物电信号的采集主要采用电极技术，主要有银电极、Ag/Agcl电极、玻璃微电级、贴片电极等，在试验过程中根据不同的测量方式选取不同类型的电极，而且根据实际测量需求对电极和植物细胞的测量位置进行选择，不同电极还可以实现植物电信号的胞内和胞外测量.

4.2 采集方式

植物电信号的测量方式主要有非接触式测量和接触式测量两种.非接触式测量方式对测量植物不会产生损伤，主要是采用甘汞电极和电解液进行离子电桥的搭建，实现植物表面的电信号测量.但是这种方法无法长时间对电信号进行测量，存在一定局限性.接触式测量目前主要是采用金属电极进行测量，包含Ag/AgCl电极、铜电极、铂电极和银电极等，需要将其插入植物体内才能进行电信号的测量，虽然对测量植物造成了一定损伤，但是具有长时间测量植物电信号的优势，被广泛使用.当然目前的植物电信号采集技术还存在不足，无法同时满足多个测量条件，只能依据试验目的进行植物电信号测量方式的选择.随着测量技术的不断发展，能同时满足非损伤性和长时间测量等条件，可采集到更准确的植物电信号，获取更多的植物电信号信息.

5 植物电信号的传播途径

5.1 植物内信号的传输方式

植物电信号在植物中传输主要是通过胞间连丝在细胞间进行短距离传输，到达韧皮部后沿着筛管质膜进行长距离传输[38].

电信号可以通过胞间连丝进行快速传播，胞间连丝是相邻细胞间信号网络的中继，也是电信号系统的一个可能的核心组成部分[39].向丽藻植物细胞注入电流，并设法追踪记录其远离该细胞的几个细胞的电信号情况，验证了细胞间存在电耦合，表明胞间连丝在信号传播过程中起到重要作用[40-41].

而韧皮部通过筛孔系统提供了一个低阻力的传输通道，保证电信号能够进行长距离传输；此外筛管系统中筛板孔相对较大且不易受挤压，质膜和内质网具有连续性等特点[42]，也非常适合电信号的长距离传输.Eschrich et al[43]在西葫芦植物试验中，发现成熟叶片与叶柄之间的电信号通过筛管进行传输，其最大速度为10 cm·s-1；Rhodes et al[44]通过使番茄植株受伤诱导产生电信号，表明番茄植株全身电信号传递的途径也与韧皮部有关；Fromm et al[45]在玉米叶片试验中发现电刺激和冷刺激均可诱导动作电位产生，其振幅均高于50 mV，在筛管中进行传播的速度为3～5 cm·s-1；娄成后等[46]利用旱金莲进行灼烧试验，诱导产生的电信号能够在维管束和薄壁组织进行传输；同样在水田芥植物试验中诱导产生的电信号也可以在维管束间薄壁细胞传输.拟南芥植物响应食草动物攻击的电信号通过韧皮部向不同方向进行传播[47].相关研究结果如表1所示.

植物电生理学研究的重点开始转向长距离信号，研究中也发现植物拥有动物神经运动系统的大部分化学成分[48]，尽管没有动物神经网络那么复杂，但在韧皮部内部已经形成一个非常简单的神经网络，基本满足长距离通信的条件.植物之所以发展出电信号传输的途径，相关研究认为最可能的原因是植物对外界环境胁迫做出快速反应[30].不同的外界环境刺激会引起植物电信号的变化，然后再将电信号传播到特定区域，使植物产生特定反应.与化学信号传播信息相比，电信号能够更快速地进行长距离传递信息，效率更高.从表1也可以看出植物电信号中的动作电位传播速度比变异电位传播速度更快.

5.2 植物间信号的传输方式

植物还可以通过不同途径与其他植物进行交流，如可以通过挥发性有机化合物的排放和传播来进行交流，通过静电或者电磁相互作用以及声音进行通信.植物之间还可以通过地下通信，例如可以通过土壤的菌根网络交流和传播信息；通过植物根际交流信息；也可以通过自然嫁接等传播信息.其中菌根共生是植物与真菌之间最典型的共生关系之一，这对植物生长发育具有非常重要的意义.菌根真菌可以通过共同菌根网络将植物连接在一起，并进一步将植物之间的碳水化合物、水、氮、磷以及其他营养物质进行交换、输送[43].

Volkov在电刺激下对芦荟电信号的传播途径进行探究，在试验过程中采用正弦波、三角波、矩形波对植物进行电刺激，首先在芦荟叶片之间进行植物电信号的记录[42]，证明了芦荟叶片之间可以传播电信号；接着在同一花盆里的两棵芦荟植物和种植在不同花盆的两棵芦荟植物分别进行试验[43]：在一棵芦荟上进行电刺激，在另一棵芦荟植物上记录植物电信号.通过土壤接触的芦荟植物采集到了电信号，说明植物电信号还可以沿着叶子、根、土壤传播到另一棵植物.Volkov为了避免植物的根与根之间的连接和菌根网络之间的干扰，使用金属导线将种植在不同花盆的植物进行连接[44]，用电刺激一棵芦荟植物，在另一棵植物也采集到了电信号.接着在不同品种的植物中进行测试，将种植在两个花盆的芦荟植物和卷心菜植物通过金属丝相连接，同样也检测到了电信号.上述结果表明在植物叶片之间和植物与植物之间的信息传播有不同的电信号及化学信号传播途径，无论是同种植物还是不同种植物之间，均能诱导产生电信号，并在植物和邻近植物间进行传递，这也为植物作为植物传感器提供了可能性.电信号能够在植物之间进行传播，如果能够对采集到的电信号进行分析处理，对其所受到的刺激进行监测，及时做好防护，将有助于设施农业中对外界环境条件的控制.但是目前利用这种方式记录电信号的分析处理比较少，也是后续可以关注的一个重点.

表1 外界刺激下植物中记录到的电信号情况Table 1 Electrical signals recorded in plants under external stimuli

6 植物电信号分析方法

鉴于植物电信号的复杂特性，植物电信号研究所涉及的学科及领域非常广泛.在电信号分析过程中，准确提取电信号以及降低信号噪声是研究植物电信号特征非常关键的一步，也是进一步分析植物与外界环境刺激之间响应关系的一个重要前提.当前植物电信号的分析主要是根据研究目的，选取或者改进合适的方法来进行相关分析.国内外研究者已经进行了大量工作，提供了多种可行的分析方法，并且取得了一些非常不错的成果.目前采用比较多的处理分析方法有时域分析法[60]、功率谱估计法[61]、自适应处理方法[7]、小波变换法[61-62]、机器学习、独立分量分析法(ICA)和匹配跟踪法[9,64-66]等.

王兰洲等[60]采用时域分析方法对黄瓜、燕子掌、君子兰和芦荟叶片4种植物电信号进行分析，得到时域波形和各项统计参数，但是分析得到的信号特征值包含了很多噪声，而且也只能对某个时间段内电信号的特性进行分析，存在一定的局限性；张晓辉等[61]利用小波软阈值消噪法和快速傅里叶变换法对植物电信号进行分析，在不同温度下测得芦荟叶片电信号，先对其进行小波降噪，再进一步分析芦荟叶片电信号谱边缘频率(SEF)、谱重心频率(SCF)和功率谱熵(PSE)在不同温度下的变化情况，结果表明在升温过程中，芦荟叶片电信号谱边缘频率、谱重心频率和功率谱熵三者都呈先升高后降低的变化趋势，且在升高的最高点所对应的温度与芦荟生长的最适宜温度相同，说明谱边缘频率、谱重心频率和功率谱熵可以表征植物随外界环境而变化的情况，功率谱分析法具有一定的适用性.陆静霞[7]依据植物电信号的特点，通过信噪比(SNR)和均方误差(MSE)参数分析对比结果，选取改进的自适应小波软阈值收缩法对植物电信号进行降噪，有效地去除了噪声和干扰，很好地提取了信号的有用成分.

Chatterjee et al[9]对19种植物(17种扎米莲和2种黄瓜)，利用非线性维纳一哈默斯坦模型(NLHW)建立了不同光刺激强度下光刺激与植物电信号的关系；再根据番茄和黄瓜的电信号，利用线性和非线性方法从电信号中提取了11个特征[30]，通过使用不同的机器学习算法(线性判别分析、二次判别分析、朴素贝叶斯和马氏分类器)，对3种不同类型的刺激(NaCl、H2SO4和O3)进行分类，最佳识别率为73.67%左右.在2016年，黄岚等[65]采用模板匹配、人工神经网络、支持向量机和深度学习4种分类器对植物刺激进行识别，主要是将波形的特征提取与主成分分析方法相结合，通过模板匹配得到了约96%的识别率.Pereira et al[34]利用机器学习算法(人工神经网络、卷积神经网络、最优路径森林、K近邻和支持向量机)和区间算法，对不同刺激进行识别分类.黄岚等[66]利用独立分量分析算法(ICA)分离从表面电极记录法中测量的植物叶片电信号，包含表皮细胞、保卫细胞和叶肉细胞电信号的混合信号.通过对植物电信号的分析，识别不同的外界刺激类型，为植物多刺激传感器研究奠定了基础.在温室种植中，可以通过电信号特征分析植物所受到的刺激类型，判断其当前所处环境状态，及时进行监督、调整，确保植物处于最佳生长状态的环境中.

7 结论与展望

目前已经初步阐释了植物感知外界环境刺激所引起的植物电信号的基本特征、传递途径及处理分析方法.随着微弱信号检测及信号处理技术的发展，以及计算机信息采集、数据处理系统的实现，植物电信号的提取和分析也更具可行性和科学性.这也为研究植物电信号提供了更好的条件和思路，可以有条件地深入研究植物自身不同叶片间的沟通方式及植物之间的沟通方式，进一步获取和分析植物间的电信号.研究表明植物电信号可通过植株根和土壤进行长距离传播，但是在其他外界环境刺激下可否检测到准确的植物电信号、产生的电信号在传播过程是否存在相互作用，以及植物如何完成不同信号之间的转化传播等问题都值得进一步探讨.通过准确获取不同传播途径下的植物电信号，并利用电信号的不同特征获得植物的生长信息如光照情况、植物状况和环境的实时信息等，对其所受到的外界环境信息进行监测，有助于精准农业的实施.将数据采集系统与计算机连接也有望作为快速生物传感器用于监测环境质量情况，预测气候变化等.