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高等植物中的电信号研究进展

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高等植物中的电信号研究进展

ChineseAgriculturalScienceBulletinV01.21No.102005October

?188?

http://zntb.chinajournal.net.cn

高等植物中的电信号研究进展

郭金耀,杨晓玲

(淮海工学院江苏省海洋生物技术重点建设实验室,江苏连云港222005)

摘要:植物对外界刺激发生反应的过程中。往往会有多种信号共同作用。电信号的产生与植物的敏感性、植物的生理状态及刺激因子有关。已发现的电信号有动作电波,变异电波,复合电波,振荡电波及波中波等多种类型。电信号的传递途径及传递机制仍然存在争议。植物的多种生理效应与电信号的产生、传递有关。

关键词:高等植物;电信号活动;生理效应

ElectricalSignalsinHigherPIants

GuoJinyao,YangXiaoling

(Huaihai

Abstract:Plantarousingresponse

Inst如ute

on

ofTechnology,LianyungangJiangsu222005)

ale

externalstimulusinprocess,there

to

frequentlyvarioussignals

state

to

functiontogether.Engenderingofelectricalsignalrelated

plantsensitivity,physiological

and

stimulus’factor.Todiscoverelectricalsignalsexistwithactionpotential,variationpotential,compositepotential,osciHatorypotentialandelectricalsignalsinvariationpotentialetc.Thereexists

transportpathwayand

to

disputein

transportmechanism

ofelectrical

signalsyet.Plant’S

variousphysiologicaleffects

related

to

theengenderingandtransportofelectricalsignal.

Keywords:Higherplants,Electricalsignalsactivity,Physiologicaleffects

任何一个生物体都是在一定环境中生存的。植物构和离子通道变化的研究;“伤素”的化学结构与生理效应关系的研究【4】;电波传递途径和传递机制的研究嘲;电波传递与植物生理效应关系的研究M等。在研究工作中,由于植物体内信号种类的复杂性田,各信号间相互作用的复杂性,往往使研究者难辩真伪,顾及一

方面而忽视另一方面,造成研究结果的偏离,甚至完全

在长期进化过程中,与周围环境形成了微妙的关豕t】。

虽然在植物中尚未发现像动物一样的神经网络系统,但植物却能像动物一样,感受外界的刺激并对之作出反应。例如,含羞草复叶的感震运动,合欢树小叶的感

夜运动,食虫植物捕蝇草的感触运动,以及植物感受与反应部位时常不在一起的向光性、向地性等。在植物对外界刺激发生反应的过程中,至少有三种信号参与作用,即电信号、水力信号和化学信号田。这些信号作为

失真。例如,烧伤作为一种较为有效的伤害性刺激手段,被许多研究工作者所采用。研究电信号与植物生理效应的关系者,在烧伤引起电信号的变化时,若同时或

稍后也看到了生理效应的变化,则认为这种效应是电

刺激的信使,在植物体内发生信息传递,从而引起植物反应翻。笔者就高等植物中电信号的有关问题作一扼

要的介绍。

1电信号研究中存在的问题

信号的作用。最近,Malone在烧伤含羞草和西红柿叶片的实验中,证明了有水力信号的存在与传递,并由此引起了叶片厚度的变化嘲。这给人们以很大的启示,烧伤植物叶片时,不应只看到植物体某一种信号的产生、传递及作用,植物某一生理效应的改变可能是多种信

号同时作用的结果。娄成后等曾多次建议要将p电波”称作“电化学波”,说明他早已预见了植物体内信息传

关于植物电信号的研究,已有100多年的历史,研究所用材料已从敏感植物如含羞草逐步扩展到几乎所

有植物中(包括半敏感植物和非敏感植物)。研究内容已逐步深入。目前主要进行动作电波出现时,细胞膜结

基金项目:山西省自然科学基金项目“提高作物对干旱适应性的营养调控研究”(20011086)及山西省科技成果推广计划项目“小麦增产的营养调控技术”(011002)资助。第一作者简介:郭金耀,男,1956年出生,教授,硕士研究生导师,从事植物生理学及植物营养学研究。E-mail:gjy8066880yahoo.com.crl。收稿日期:2005—05—26,修回日期12005—05—30。

 

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中国蓐擘cII报第21卷第lO期2005年10月

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递的复杂性。现在,人们已开始认识,任何一种单一的信号系统都无法单独解释一种生理效益。例如,杨文定证明,丝瓜卷须的向触性是由电波与神经递质协同引起的。Malone看到,在水力信号引起叶片厚度发生变

化的同时,也有化学信号——∥伤素”的作用[91。在研究

柳苗对盐激的快速反应时发现,’在蒸腾速率变化的过

程中,首先是水力信号的作用,然后就是电信号和化学信号的作用【101。可见,植物在对外界刺激发生反应的过程中,往往会涉及到多种信号的共同作用,而不是单一信号的作用。2电信号的发生

电信号的产生是植物细胞或组织的静息电位发生较大波动并传向周围细胞、组织或器官的结果。当静息

电位的波动性变化足以被人们记录到时,便形成了人

们通常认为的“电信号”。

引发电信号的因子包括植物内部因子和外部环境因子两类。在外部环境因子中,一般来说,震击、电刺激、冷热变化、割伤、烧伤及化学物质处理等均能引发电信号的发生。但实际上,电信号的引发是一个很复杂

的问题。

首先,电信号的发生与植物的敏感性有关。娄成后根据植物对外界刺激反应的难易程度,将植物划分为敏感植物,半敏感植物和非敏感植物三类。在敏感植

物,如含羞草中,电信号的发生是很容易的事情,一个

轻微的震击,就可引发出一个动作电波,而在非敏感植

物中,如水田芥,电信号的引发则较难,多需要较强的刺激,如烧伤才行,甚至需要特殊的处理。半敏感植物则居中。袁明专门研究了“非敏感高等植物的兴奋性”(1988,北京农业大学博士论文),认为在非敏感高等植

物中,兴奋性通常以潜在的形式存在,比较难以表现出

围1同步“波中波”

两种特殊的波形都是在处理后,植物产生变异电波的过程中,电位再次发生突发性的变化,很像是变异电波中又产生,动作电波”,笔者暂称之为“波中波”。根据过程中突发性变化是否同步,又将“波中波”分为同

步“波中波’,和非同步“波中波’两种。

图1同步“波中波”是烧伤柳茎时,在30min内,

 

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来,但在某些特定条件下,植物的兴奋性就会表现出

来。

其次,电信号的发生与植物的生理状态有关。而植

物的生理状态又与植物所处的环境条件有关。在一定

的环境条件下,电信号容易发生,在另一些条件下,电信号则较难发生。梁峰专门研究了“非敏感植物在各种处理下的电化学波传递”(1987,北京农业大学硕士论

文),对34科40种植物的变异电位进行了观察,表明在某些逆境条件(如弱光、干旱、水渍等)下,植物的兴

奋性提高。

第三,植物电信号的发生也与刺激因子有关。在多

种引发电信号的外界因子中,烧伤刺激是最有效的,它

几乎可以在所有的植物中引发电信号的产生。

应当注意的是,许多因子,如烧伤、盐胁、切伤等,在引发电信号的同时,也会引起水力信号和化学信号的产生。

可以看到,在植物体内,作为化学信号的某种化学

物质,如果能引起细胞或组织的电位发生变化,则它的

移动性作用将会以电信号的形式反映出来。同样,在植物体内,水力信号引起的水分移动,如果能引起细胞或

组织的电位变化,则水力信号的作用将以电信号的形

式反映出来。由此看来,电信号还可部分地反映化学信号和水力信号的作用。但是,水力信号和化学信号的产生对电信号的发生与传递,实际上有什么作用?是增强

还是削弱?作用有多大?还是没有作用?这些问题均还

不清楚,需要加强研究。

在笔者的实验中,除观察到人们熟知的四种电信V

图2非同步“波中波一

图2非同步“波中波”是用300mmol/LNaCl来胁babylonica)根时,30min内从柳茎记录到

这种“波中波",也被和笔者一起工作的其他实验

3电信号的种类

号波——动作电波、变异电波、复合电波和振荡电波外,还看到了两种特殊的波形(图l、图2)。

从柳茎记录到的。

迫柳苗(Salix的。

人员看到。是什么原因引趟波中波”的产生,现在是一

ChineseAgriculturalScienceBulletinV01.21No.102005October

?190?http://zntb.chinajournal.net.cn个谜,是否涉及到多种信号的交互作用,尚待研究。4电信号的传递

电信号的传递途径及传递机制仍然存在争议1zt】。一般认为,动作电波是沿细胞膜以局部电流的方式进行传递,而在细胞间的传递则是经胞间连丝进行[51。但也有不同观点。Zhang和Lou以水田芥和风花菜的实

其它部分的气孔部分关闭131】。Gunar和Sinyukhin以及Sinyukhin和Britikov在欧洲百合、角蒿、西葫芦等植物中观察到,伤害性刺激叶片后,在未受伤叶片中出现

动作电波并随之引起CO:交换速率的波动D冽。Van

Sarnbeek和Pickard用烧伤在蕃茄中引发电波传递,可以影响整个植株的气体交换,使呼吸作用增加,蒸腾作

验表明,复发性动作电位的传递与化学物质有关【121。

关于变异电波的传递,有众多的实验指出,植物组织受到伤害性刺激后释放出伤素物质,这些物质随蒸腾流转移,所到处的周围组织受到伤素物质沾染,就引

用和光合作用下降【19】。任海云等烧伤白花紫露草、蚕

豆、芹菜、丝瓜、蕃茄叶片看到,当变异电位传递到测定

叶片后,叶片净CO:吸收速率和蒸腾速率同时下

降嘲。Fromm和Eschrich在柳树上,通过更换根系营养液介质观察到,随动作电波的出现,CO:吸收速率和蒸腾速率在3~25rain内均呈现增加趋势17]。最近,笔者用NaCI胁迫柳苗根系发现,电波传递发生在蒸腾速率下降的过程中【10】。

5.4电波传递与物质代谢Goeschl等观察到,揉伤豌豆苗后,在上胚轴中引出电波的同时,也引起了乙烯的

起膜电位的去极化,产生出变异电波来1-3q91。但也有另

外的实验结果表明,变异电波的传递也可以不遵循蒸腾流的路线,而是通过维管束以外的薄壁组织来传递120,15]。娄成后等认为,在高等植物中,伤害性刺激引起的电化学波的传递是靠细胞的局部电流和“伤素”的释放交替作用来推动的刚。任海云等根据在白花紫露草叶片共质体中电波传递的研究结果,提出了在植物体

释放,但是不清楚这种乙烯释放是否是由于电信号的活动直接引起的la.q。

Sinynkin和Britikov在研究角蒿属传粉引起的动作电位向子房传递的过程中发现,单一的动作电波可

内可能同时存在的三种电波传递方式:①靠活细胞以局部电流接力传递;②靠“伤素”随蒸腾流转移来传递;③细胞局部电流和伤“伤素”的不断交替作用翻。最近,笔者研究了柳茎中的变异电波传递,结果表明,柳茎中的变异电波是在木质部中传递的,并且有“伤素”物质

的参与。柳茎木质部的变异电波在纵向传递的同时,又通过髓射线横向传递至韧皮部。但变异电波不能通过分离的韧皮部进行远程上下传递[2z】。5电信号与生理效应

目前,关于植物电波传递与生理效应的研究,多数处于描述现象和进行推测的阶段,概括起来主要涉及以下几个方面:

以在10s内引起子房呼吸作用的增加删。

伤害性刺激可导致许多生化反应的发生,但这过程中的电信号活动的参与,尚需深入研究。

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5.1电波传递与器官运动主要研究了敏感植物或半敏感植物的某一器官运动是在接触性刺激引发的动作电波之后进行的。如含羞草叶枕细胞运动引起叶片下垂B3,22,23];食虫植物捕蝇草捕蝇器裂片的关闭124--2q;花柱草科合蕊柱的运动口刀;小檗花丝的运动t2s];瓜类触须的

弯曲t29]。

5.2电波传递与伸长生长电波传递可抑制伸长生长。如动作电波可使丝瓜茎伸长停止130]。烧伤刺激引起的电波传递对植物的伸长生长具有明显的抑制效应。任海云等在所测定的白花紫露草、蚕豆、芹菜、丝瓜及蕃茄5种植物的叶及茎中,都观察到电波传递对伸长生长的抑制作用【5.叼。

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