选择性微电极在植物生理学研究中的应用（二）
1.1 依据Fick定律推导离子移动速率
离子选择性微电极在待测离子浓度梯度中对已知的两点的距离（dx）进行测定，分别获得电压V1和V2（图2）。两点间的浓度差（dc）从V1、V2及已知的该电极的电压/浓度校正曲线计算就可以获得。D是离子或分子特异的扩散系数（单位：cm-2s-1），将它们代入Fick的第一扩散定律公式：
Jo =-D·dc/dx，可获得该离子的移动速率（Jo，单位为moles·cm-2·s-1）。
1.2 依据能斯特方程推导离子移动速率
在测定开始时，微电极的尖端位于被测试材料距离x的位置，在距离x处，溶液中离子的电化学势为μ（J/mol）。根据离子的自由浓度c和电势Vb，μ可以根据如下公式计算：
μ=μo+RT㏑γc+zFVb ，式中μo为电化学势参考值，z为离子化合价数，γ为离子在溶液中的活动系数，F为法拉第常数（96500 C/mol），R为气体常数（8.3 J mol-1K-1），T为热力学温度（K）。当离子选择微电极的尖端缓慢移动（不搅动溶液）一段距离（dx）时，新位置处的电化学势为μ+dμ，此处的dμ为新位置处的浓度c与电势Vb的变化值，而电化学势参考值μo不变。标准电化学理论认为，根据离子浓度c（mol/m）、离子的运动速度u（m s-1mol-1newton-1）以及电化学势梯度（dμ/dx），就能计算出离子的净流量J（mol m-2s-1）：
J=cu(dμ/dx)。在电极的内部，离子浓度是固定的，因此dμ就表示为内部电压（V）的变化即dV，理想状态下dμ= zFdV。V可以用静电计测定，当电极移动一段距离dx时，静电计测定值为dV。对于某一特定离子，u为已知的常数。因为LIX并不总是表现为理想的Nernst行为，实际测定的内部dV通过一个因子g（约接近1.1）降低外部的dμ。因为这个原因，需要把外部dμ与内部测定的dV联系起来，公式应为dμ= zFgdV。因此离子的净流量J就可由如下公式计算：
J=cu zFg(dV /dx)。
虽然Newman（2001）是根据溶液中离子的电化学势（μ）来推导离子的移动速率。但是生物材料实验证明，离子选择性微电极的移动距离（dx）在几十微米以下时，带电粒子运动对电化学电势的影响可以忽略不计，所以离子的移动速率也可以通过Fick第一扩散定律计算出来。
应用选择性微电极进行植物研究的早期工作主要是测定细胞内离子活度（Bowling 1972），随着三维微操纵技术和电脑软件控制技术的发展，选择性微电极技术也得到了快速发展，现在不仅能测定细胞内离子活度（Walker等 1995；Carden等 2003），而且还能测定到活体植物体器官、组织、甚至细胞表面微量离子以及分子移动的速率。
2 在植物营养运输研究中的应用
选择性微电极的出现不仅为研究者提供了快速、灵敏地获得活体植物营养运输信息的途径，而且还能用来获得微小区域不同离子微量的信息。Henriksen和Spanswick（1993）采用NO3-微电极研究大麦根对NO3-的吸收情况时，发现只有用NO3-的预处理才能诱导从0.1 mmol/L的Ca(NO3)2中对NO3-的吸收。当有NH4+和NO3-在一起时，与无NH4+的相比，大麦根对NO3-的吸收减少，而对NH4+的吸收则不受影响(Henriksen等 1990)。对于NO3-和NH4+同时供给玉米根 (0～3.5 mm)时，NH4+的净吸收比NO3-的净吸收高2倍。当有100 μmol·L-1的NH4+时，玉米分生区对NO3-的吸收急剧下降，而且在其他区域下降幅度更大，这说明NH4+的存在会抑制NO3-的吸收（Taylor和Bloom 1998）。Colmer和Blomm(1998)用NO3-、NH4+微电极考查水稻不定根对NO3-和NH4+的吸收情况时，发现NO3-和NH4+在成熟区、分生区与伸长区的吸收之间有差异，距根尖端的1 mm区域对NO3-和NH4+的吸收速率都大，NH4+的吸收速率高于NO3-的吸收速率；相反，在含有厚壁组织纤维的水稻不定根的基部区域（距根尖端21 mm之外），NO3-和NH4+的吸收速率明显较低，因此作者认为厚壁组织的纤维限制了根对NO3-和NH4+的吸收。同样，我们实验室用H+、K+微电极研究沙冬青的幼根不同区域在盐胁迫下H+和K+的进出速率情况时，发现其根冠（0~500 μm）和分生区（500~2500 μm）H+、K+的外流量也都较基部（大于2.5 mm之外）大得多。选择性微电极测定得到的结果可以说明，根冠和分生区是吸收营养元素的关键部位。
植物体内硝酸盐营养可明显改善植株的生长发育。我国学者用NO3-微电极测定了小白菜、水稻活体细胞中NO3-的活度(贾莉君等 2005a，b；尹晓明等 2005)，因此，NO3-微电极的使用可以为选育氮素高效吸收的植物品种提供电生理指标。
钾是大多数植物活动细胞中含量最高的无机元素，钾在碳水化合物代谢、呼吸作用及蛋白质代谢中起重要作用。另外，钾离子还是调节细胞渗透势、平衡膜电位的最重要组分。钾离子进入还是逸出植物根系表面与外界环境中钾离子的浓度有关。当植物根尖处于低钾（<10 μmol/L）溶液中时，用K+微电极可测到K+会从根的分生区和伸长区流出，从而使所处溶液中的K+浓度到50 μmol/L（Newman等 1987；Ryan等 1990，1992）。Ryan等(1992)用Cl-微电极研究小麦对铝敏感和耐铝品种根内Cl-的流动时，观察到在小麦根处于0.1 mmol/L的CaC12(pH4.5)介质中时，Cl-大量地从分生区流人介质中。
以上研究结果充分表明，选择性微电极这种能直接并灵敏地反映植物体特定微区（>um）对矿质元素的需求的测试工具，一方面可供研究者进行某种离子高或低吸收的植物品种筛选，另一方面可供研究者制定出与植物需求相适应的环境营养水平。
