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生電電位響應。本研究記錄了將Ag/AgCl玻璃微電極插入狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）中柱時所觸發的電電位。電極插入觸發了一個系統電位（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生的。這些信號可以被識別為系統電位（system potentials）。這種系統性的電電位可能在遠處位置產生刺激響應，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，觸發并產生可傳播的電電位信號（特別是緩慢傳播的系統電位，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，旨在為后續該植物的電信號研究提供基礎并規避實驗干擾。

 

研究思路  

1.  植物準備與實驗設置：從儲備培養中選取健康、挺水的狐尾藻莖段，種植于盛有河沙和10%霍格蘭氏營養液的玻璃缸中，在可控光溫條件下培養。實驗前一天將植株轉移至法拉第籠內，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定約2.5小時后，快速（5-8秒內）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采樣率連續記錄數據至少2.5小時或直至電位重新穩定。

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

 

測量的數據及研究意義  

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十分鐘內EP的連續動態變化。該數據直觀展示了電極插入觸發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定電位值（比初始值高6.5 ± 2.5 mV）。該數據量化了SP的關鍵參數，表明盡管個體間存在微小變異，但響應模式在物種內是保守和可重復的，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。該數據表明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?。?.5-2.9 mV）且保持線性穩定，無顯著波動。該數據至關重要，它排除了測量系統、電極本身或非生物離子導電材料產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。

 

結論  

1.  將微電極插入狐尾藻莖部中柱的行為本身會觸發一個可傳播的電信號，該信號被鑒定為系統電位（SP）。其特征是傳播速度緩慢、具有特定的時間動態（雙峰形）以及需要長時間（50-70分鐘）才能重新達到穩定狀態。

2.  該SP響應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、可重復的電生理現象。

3.  電極插入后，組織的靜止電位會發生永久性的改變（穩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電位，強調在設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電極測量數據的研究意義  

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

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

2.  抗干擾能力：該電極系統與法拉第籠配合使用，能有效屏蔽外部環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的采樣率進行連續記錄，能夠完整地捕捉到SP緩慢的動態變化過程（峰值出現的時間尺度在十分鐘級別），從而準確描繪出其雙峰形態和變化速率，這是定義SP特征的關鍵。

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自身在非生物體系中幾乎不產生信號的前提下，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的專用微電極系統為本研究提供了可靠、高精度且抗干擾的技術保障，使得首次在狐尾藻中識別和表征緩慢傳播的系統電位（SP）成為可能。