电阻抗图谱法研究植物水分生理初探

卫世珍，任建武,郝佳美，姚洪军,李增良

(1.河津市林业局，山西 河津 043300；2.北京林业大学生物科学与技术学院,北京 100083；3.河北省林草花卉质量检验检测中心,河北 石家庄 051130)

电阻抗谱(Electrical Impedance Spectroscopy，简写为EIS)，早期的电化学文献中称为交流阻抗(AC Impedance)，原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法。测定植物组织和器官的电阻抗图谱能够获得其基本生理学信息，EIS法可以实现非破坏性地测定胞内电阻、胞外电阻和膜变化。一般认为细胞对低频电流(f<1 000 Hz)有高的阻抗，低频电流只在胞外间隙流动。细胞膜的阻抗随频率的提高而下降。在足够高的频率下，电流能够直接通过胞内，总阻抗由胞内和胞外电阻组成。在高频电流下，胞内和胞外电阻形成一个并联电路。当交变电流通过植物组织时，通过胞外间隙和胞内的比例取决于频率和组织特性。该组织的结构特性和生理特性可用等效电路分析进行量化。活体植物叶肉细胞失水的过程首先发端于质外体，就某个单一细胞来说，先是细胞壁失水，随后原生质体的水分流向细胞壁；若细胞失水过程不断持续，当膨压小于零时，叶片开始萎蔫；如果细胞失水严重，则会发生质壁分离导致永久性萎蔫。由于细胞含有大量电解质，水分状况的变化必然引起电阻抗谱的改变。所以，可以用电阻抗来研究植物对干旱胁迫的响应。

1 材料与方法

选取北京林业大学校园内的栾树、楸树、小叶黄杨和室内盆栽绿萝为试验材料，在7月供试植物旺盛生长季节进行试验。上午10点，用剪刀剪取带柄叶片，随即将叶柄插入水中。带回实验室后将剪取的叶片在清水中浸泡0.5 h，取出用滤纸吸干叶片表面水分，叶柄用贮水小管密封保护,在HAMEG PROGRAMMABLE LCR BRIDGE HM8118仪器上测定。试验材料分为1 000 μmolphoto/(nm2·s)人工光照和未加人工光照2组。系统工作在频率扫描状态下，通常驱动电流频率为20 Hz～200 kHz，频率按照对数递增(logf)，从2到7，每次递增约0.1，每次扫描时间40 s～50 s.尽可能减少驱动电流对组织的损伤，驱动电流值选用0.5 mA.

2 结果与分析

2.1 绿萝叶片失水过程分析

照光和未照光绿萝叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱见图1.

从图1-1可以看到，水分充足时，低频电流下绿萝叶肉容抗很高；作为天南星科室内观叶植物，由于来自热带高湿地区，绿萝叶片持水能力很弱，叶片水分容易散失，离体20 min后，叶肉细胞水分便急剧减少。在高频电流驱动下，绿萝叶片的容抗迅速降低，叶片含水量对容抗值影响不明显。如图1-2所示，绿萝叶肉细胞阻抗随着水分散失和驱动电流频率增高而降低。叶肉细胞的电解质浓度越高，其导电能力越强。高频下，电流可以通过质膜包被的原生质，就单个叶肉细胞来说，细胞壁和细胞质组成并联电路，电阻下降。水分充足时，叶肉的阻抗明显较高。由图1-3可知，未经人工光照的绿萝叶片失水过程中容抗值并没有表现出规律性变化，只是随电流频率升高迅速降低。图1-4可以看出，未经人工光照的绿萝叶片失水过程中阻抗值并没有表现出规律性变化，在不同程度的失水状态下随着电流频率升高，阻抗都呈现减小趋势。

图1 照光和未照光绿萝叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱

2.2 楸树叶片失水过程分析

照光和未照光楸树叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱见第29页图2.

由图2-1可知，楸树叶片即便是在照光的条件下，失水速度也较慢；在驱动电流频率高于100 Hz时，不同失水状态下的叶片容抗趋于一致。因此研判容抗与楸树叶片水分生理关系时，可在100 Hz以下的低频率选取较多频率点。如图2-2所示，楸树离体照光叶片随着水分的散失，阻抗减小。电流频率升高过程中，阻抗谱降低缓慢，所以楸树叶片阻抗的主要组分应该是质外体。值得注意的是，在各个驱动电流频率点上，叶片水分越多，阻抗值越高。从图2-3和2-4可知，未经照光的楸树叶片水分散失速度很慢，这一特征在参试植物中表现突出，但是依然以含水量高者阻抗最低。

图2 照光和未照光楸树叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱

2.3 栾树叶片失水过程分析

照光和未照光栾树叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱见第29页图3.

图3 照光和未照光栾树叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱

由图3可知，栾树叶片失水速度较快，驱动电流频率近1 000 Hz时，各种水分状态下的容抗值趋于一致。水分含量高，则低频下容抗值高。栾树叶片在频率达到100 kHz的电流驱动时，阻抗值在不同水分条件下趋于一致。未照光栾树叶片失水速度变慢，可见，栾树为阳性树种，容抗以失水40 min时最高。栾树叶片失水后，阻抗值开始降低，但是随着失水的加剧，到一定程度后，阻抗值开始升高，可能是叶肉细胞发生质壁分离所致。

2.4 小叶黄杨叶片失水过程分析

照光和未照光小叶黄杨叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱见第30页图4.

由图4可知，小叶黄杨照光下水分散失速度不快，各个水分状态下的容抗值拐点出现在电流频率100 Hz以上。经过照光的小叶黄杨在轻度失水时，阻抗值很低，电流通过迅速；随着失水的加剧，阻抗值呈现升高趋势。照光与否对小叶黄杨的水分散失影响不明显，在未施加人工光照条件下，容抗值随着水分散失表现为规律性变化，水分散失越多，容抗值越低。未经照光的小叶黄杨，随着水分减少，阻抗值升高，且电流频率影响趋于增大。水分充足时，阻抗值以细胞壁组分变化为主。

图4 照光和未照光小叶黄杨叶片失水过程中容抗变化和阻抗谱

3 结论与讨论

根据本试验结果可知，高频电流有利于通过植物细胞，阻抗谱与植物叶片水分状况的关系因植物种类变化很大。容抗、阻抗一般在低频电流状态下差异较大，试验可在100 Hz处设置更多频率点。

尽管阻抗谱作为非损伤探针对于研究生物组织内部生理状态有着重要作用，但是以往的研究成果较少，特别是在植物水分生理方面，尚处于新型领域。本研究只是做了初步尝试，试验规模偏小，试验设计方面还有不足之处，需要在以后的研究中加以完善。另外，植物水分生理的研究，离不开水势、膨压、渗透压等直接参数的支撑，将来有待于在阻抗谱与这些参数之间建立回归方程，使阻抗谱测定在植物水分生理的研究中达到数量化水平。