选择性微电极在植物生理学研究中的应用（一）

朱俊英¹，高荣孚¹，许越^2,3*

¹北京林业大学生物科学与技术学院，北京100083；²旭月（北京）科技有限公司，北京100080；

³Vibrating Probe Facility,Biology Department,University of Massachusetts at Amherst,MA 01003,USA

摘要：选择性微电极技术是一种不仅能直接测定活的生物细胞或细胞器内的离子或分子活度，而且能对活的生物相邻的位置、功能和代谢速率可能不同的特定微区细胞表面的离子或分子流（flux）分别测定的电生理方法。具有操作简便、实时、非入侵性（测定移动速率时）、灵敏度高（可达10^-12molescm^-2s^-1）等优点。因为它是用微型化（尖端直径为0.5~53 μm）的离子或分子选择性电极直接对准样品测定，不同于其它化学测定需取样品，所以能连续测定和自动监测，具有广阔的应用前景。该文阐述了选择性微电极测定原理，总结了选择性微电极技术在植物生理学研究中的应用进展，并展望了其发展前景。

关键词：离子或分子流；离子或分子活度；选择性微电极技术；植物

中图分类号：Q945

植物在生长发育过程中，不断从环境中吸收水分和摄取各种矿质元素，并进行O₂和CO₂等气体交换。研究人员通常是以植物的器官或组织作为研究对象，来了解矿质元素、O₂和CO₂等在植物生命过程中的运输方式、作用机理。随着各种微电极的发展，应用微电极对单个细胞或完整植株特定微区细胞进行研究已经成为可能。

离子/分子选择性微电极是一种连接了电位计或电流计后，可以对溶液中某些特定离子/分子活度给出电位/电流指示的电极。构成微电极的材料，已从传统的玻璃发展到金属、高分子聚合物、碳丝、光纤及其它纳米材料。20世纪50年代以来，随着离子选择性微电极的出现和发展（Hinke 1959；Berman和Hebert 1974；Sykoνά等 1981），离子选择性微电极也开始被用来研究植物（Bowling 1972）。80年代后，选择性微电极技术发展较快，在动物和人体上研究较多，近年来在植物上的研究报告越来越多，有测定生物体液泡（Walker等 1995）和细胞质（Carden等 2001）中离子的活度的微电极技术（Carden等 2003）；基于离子/分子选择性微电极技术发展而来的技术，即“非损伤微测技术”包括如下技术：1）自参比技术（Self-Referencing Technolog）（Kühtreiber和Jaffe 1990)； 2）生物体表面离子信息的微电极离子流测定（microelectrode ion flux measurement，MIFE）技术（Newman等 1987；Shabala 2000；Newman 2001；Shabala等 2005）；3）扫描离子选择电极技术（scanning ion-selective electrode technique, SIET）（Kunkel等 2001；Kunkel等 2005；Vincent等 2005；Xu等 2006）和 4）；还有用于测定生物体表面分子信息的扫描极谱电极技术（scanning polarographic electrode technique，SPET）(Kunkel等 2005；Xu等 2006）；因此微电极技术的最大特点在于，它能准确地测定单个细胞或完整植株特定微区细胞内外离子或分子的活度与流动，被用于研究植物对离子或分子吸收、释放及跨膜运输的机制。它具有操作简便、实时、灵敏度高、非损伤性等特点，而且还可以在电脑控制下连续测定与自动监测，实现了生物体内外离子或分子信息的同时进行的实时测定(Kunkel等 2005；Xu等 2006）。

1 选择性微电极的工作原理

植物细胞内的离子或分子进出细胞时，在细胞的内外之间会形成一个跨膜的电化学势梯度（Δψ_m）。当离子选择微电极置于细胞或组织表面时(图1)，微电极可以对溶液的离子浓度做出响应，由于细胞可以吸收或释放离子或分子，与细胞或组织表面离子或分子的浓度存在着浓度梯度，因此，会产生离子或分子的扩散性移动，传感器产生的信号经放大器的放大输出到计算机，就可以实时地检测到细胞或组织表面离子或分子流动的变化。计算离子或分子的移动速率，离子扩散是可依据Fick第一定律进行计算（Kühtreiber和Jaffe 1990；Xu等 2006），也可依据能斯特（Nernst）方程（Newman 2001）计算。