高壓靜電場誘導(dǎo)植物生長的機(jī)理研究

蔣耀庭++趙云++趙航

摘 要：系統(tǒng)地闡述了高壓靜電場誘導(dǎo)植物生長的機(jī)理，從植物細(xì)胞膜、生理特性、遺傳變異以及供應(yīng)能量4個(gè)方面進(jìn)行了論述和探討。利用物理學(xué)和生物學(xué)的交叉原理，闡明靜電對植物生長的影響。

關(guān)鍵詞：高壓靜電場；植物生長；微觀機(jī)理

中圖分類號： Q947.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.03.024

目前，靜電生物效應(yīng)的研究和應(yīng)用已日益向縱深發(fā)展，對植物的生物效應(yīng)研究也取得了可喜的成就[1-3]。本研究利用從試驗(yàn)中獲得的結(jié)果，以現(xiàn)有的認(rèn)識水平和程度，從理論的角度對高壓靜電場（以下均簡稱靜電場）對植物的誘導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行研究。

眾所周知，地球上的植物生長，除了需要陽光、水、礦物質(zhì)等環(huán)境因素以外，還需要靜電場、磁場、射線、聲波等物理因素。從物理學(xué)的角度講，地球本身是一個(gè)帶負(fù)電的球體。電離層與地面之間的電勢差平均值約為3.0×105 V。晴天時(shí)，地球表面的大氣電場的場強(qiáng)值約為100～200 V·m-1[5]，而且，大氣電場內(nèi)還存在帶電離子的上、下運(yùn)動，這構(gòu)成了植物生長必需的靜電場和因帶電離子運(yùn)動產(chǎn)生的大氣電流。近年來，國內(nèi)外學(xué)者用人工方法將靜電場作用到植物上，對植物的生長進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到了預(yù)期的目的。然而，對于靜電場誘導(dǎo)植物生長機(jī)理的研究，還沒有得到一個(gè)十分完整而滿意的解釋，本研究從5個(gè)方面對靜電場對植物的誘導(dǎo)進(jìn)行研究，以彌補(bǔ)理論上的缺陷。

1 靜電誘導(dǎo)植物生長

國內(nèi)關(guān)于靜電誘導(dǎo)植物生長的報(bào)道很多，所采用的靜電場的類型大致有3種：一是正負(fù)離子電場；二是正負(fù)脈動電場；三是正負(fù)靜電場。最常用的是第一種和第二種。

王淑惠等[6]采用適宜強(qiáng)度的靜電場對小麥幼苗進(jìn)行處理，對小麥幼苗的生長效應(yīng)、成熟期植株性狀和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測量記錄，見表1和表2。其中，對照組是指未經(jīng)靜電場處理。

從表1[6]可以看出，除功能葉片無顯著差別（P>0.05）外，苗高、葉片數(shù)都有顯著差別（0.05>P>0.01）。總根數(shù)、功能葉寬、葉齡、分蘗數(shù)和凍害程度差別明顯（P<0.01）。莖粗在內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于對照。表2[6]是小麥成熟期的植株性狀和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)。從表2可以看出，靜電處理組優(yōu)于對照，最后增產(chǎn)12.6%。

從國內(nèi)多篇報(bào)道看，促進(jìn)植物生長所采用的靜電場類型大多是正離子電場[3]。在靜電場作用下，植物能加快吸收CO2，對病蟲害有抑制作用，提高產(chǎn)量[4]。當(dāng)然，為了延長花卉的開花時(shí)間，有時(shí)候也采用負(fù)離子電場[2]。

2 靜電處理使細(xì)胞膜興奮機(jī)理

植物的生長發(fā)育大部分依賴于植物細(xì)胞吸收營養(yǎng)成分，而細(xì)胞膜作為細(xì)胞與周圍生理環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的重要通道，具有極其關(guān)鍵的作用。細(xì)胞膜的興奮水平可直接影響植物生長的程度。因此，當(dāng)某種靜電場作用到植物上時(shí)，可使細(xì)胞膜興奮，提高細(xì)胞膜內(nèi)外的物質(zhì)交換的速率，這對于促進(jìn)植物生長發(fā)育具有重要的實(shí)際意義。筆者認(rèn)為，靜電場促進(jìn)植物中細(xì)胞膜的興奮，主要有以下2點(diǎn)機(jī)理。

2.1 靜電影響細(xì)胞膜電位促使細(xì)胞膜興奮機(jī)理

細(xì)胞膜是細(xì)胞質(zhì)與外界相隔的一層薄膜，又稱質(zhì)膜，是位于原生質(zhì)體外圍，緊貼細(xì)胞壁的膜結(jié)構(gòu)，而細(xì)胞膜可以看作是具有一定厚度、一定電阻和一定電路的特殊“電路”。細(xì)胞膜的磷脂雙分子層將細(xì)胞內(nèi)液與細(xì)胞外液分隔，由于細(xì)胞內(nèi)外帶電離子不均等分布在膜的兩側(cè)，因此，存在一定的電位差，形成細(xì)胞膜電位，圖1顯示了細(xì)胞膜的等效電路[7]。

細(xì)胞膜電位主要分為兩種：靜息電位和動作電位。靜息電位是指細(xì)胞未受外界刺激時(shí)存在于細(xì)胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差。細(xì)胞在未受外界刺激時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的生理環(huán)境較為穩(wěn)定，在其中發(fā)生著許多重要的生物化學(xué)反應(yīng)。K+順著細(xì)胞膜內(nèi)外的濃度差擴(kuò)散至細(xì)胞膜外，正電荷增多，膜外電位上升，膜內(nèi)呈現(xiàn)極低的負(fù)電位。而Na+內(nèi)流至細(xì)胞膜內(nèi)，進(jìn)而提高膜內(nèi)電位，最終K+、Na+所維持的細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差構(gòu)成了細(xì)胞膜的靜息電位，此時(shí)，細(xì)胞膜的離子凈流動速率呈現(xiàn)動態(tài)平衡。

動作電位是指細(xì)胞受到刺激，在靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生一次短暫的、擴(kuò)散性的電位變化。當(dāng)外界給予細(xì)胞一定的刺激后，細(xì)胞膜的靜息電位呈現(xiàn)活化狀態(tài)。首先出現(xiàn)緩慢的去極化狀態(tài)，Na+通道開放，Na+大量內(nèi)流，膜電位逐漸變小，當(dāng)達(dá)到-50 ～ 55 mV的臨界水平 [8]，即閾電位時(shí)，隨即產(chǎn)生一個(gè)爆發(fā)性的除極化，動作電位短時(shí)間達(dá)到0 mV，細(xì)胞內(nèi)外電位相等，膜電位極性反轉(zhuǎn)，之后細(xì)胞膜電位進(jìn)行反極化，大量K+順濃度差電位差流向細(xì)胞膜外，膜電位恢復(fù)到靜息狀態(tài)。

通過靜電處理細(xì)胞膜，可使細(xì)胞膜上的通道蛋白形態(tài)發(fā)生改變，膜電容增大，促使K+、Na+流向發(fā)生改變。細(xì)胞膜電位由靜息電位轉(zhuǎn)變?yōu)閯幼麟娢?，Na+通道蛋白開放，內(nèi)負(fù)電位降到閾電位水平。細(xì)胞進(jìn)行去極化過程，此時(shí)細(xì)胞膜處于興奮狀態(tài)。離子的凈流動速率大大加快。并且電流的流向均是朝向內(nèi)，植物表現(xiàn)內(nèi)壓“電恒”狀態(tài)。因此，通過靜電處理使細(xì)胞膜興奮，提高離子的通透性，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞吸收離子的過程，加快細(xì)胞與周邊生理環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換。

2.2 靜電通過影響細(xì)胞膜分子結(jié)構(gòu)促使細(xì)胞膜興奮機(jī)理

細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)有蛋白質(zhì)鑲嵌的磷脂雙分子層，而膜電位的產(chǎn)生與膜上帶電脂質(zhì)分子與蛋白質(zhì)分子的解離狀態(tài)與膜內(nèi)外的離子濃度場有關(guān)。由文獻(xiàn)[9]可知，細(xì)胞膜外表面處的電勢為：

5.1 靜電處理使細(xì)胞中DNA分子合成速率加快機(jī)理

眾所周知，基因（遺傳因子）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，在生物學(xué)上的定義為DNA或RNA分子上具有遺傳信息的特定核苷酸序列。它儲存著生命孕育、生長、凋亡過程的全部信息，通過復(fù)制、表達(dá)、修復(fù)，完成生命繁衍、細(xì)胞分裂和蛋白質(zhì)合成等重要生理過程。在細(xì)胞中，存在CDK啟動因子，它是一類重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其主要的生物學(xué)作用是啟動DNA的復(fù)制和誘發(fā)細(xì)胞的有絲分裂，以復(fù)合物形式出現(xiàn)[19]。該復(fù)合物分為催化亞基和調(diào)節(jié)亞基兩部分，催化亞基為CDK，調(diào)節(jié)亞基為細(xì)胞周期蛋白。CDK與細(xì)胞周期蛋白是調(diào)控細(xì)胞分裂的核心因子。通過靜電處理植物細(xì)胞，加速ATP的合成，進(jìn)而促進(jìn)CDK與細(xì)胞周期蛋白的合成，從而促進(jìn)細(xì)胞的有絲分裂。endprint

5.2 靜電處理細(xì)胞促使染色體變異機(jī)理

試驗(yàn)表明[20]，靜電處理植物細(xì)胞能夠增長有絲分裂中期的細(xì)胞數(shù)目，縮短細(xì)胞有絲分裂周期，提高細(xì)胞的分裂速度。靜電處理植物細(xì)胞不僅可以使DNA復(fù)制加快，還能使核酸蛋白質(zhì)分子中的氫鍵斷合，引起染色體變異。通過靜電處理，引起細(xì)胞染色體變異大致有以下幾種 [21-23]：染色體斷片、染色體落后、染色體橋不等分裂、單極紡錘體和多極紡錘體。而其主要形成原因是經(jīng)常使核酸蛋白質(zhì)中帶電離子數(shù)目改變，加速氫鍵的形成速度，促使染色體變異。

靜電場對植物生長誘導(dǎo)的機(jī)理十分復(fù)雜。它是一門靜電學(xué)與生物學(xué)的交叉學(xué)科，其研究難度大。本研究結(jié)果可為從事用靜電對植物進(jìn)行調(diào)控的應(yīng)用工作者提供有益的幫助。但是要更詳細(xì)地解釋其機(jī)理，尚需做不少工作。例如，靜電正離子電場與負(fù)離子電場作用到同種植物上，或同一種靜電場作用到不同植物上，其誘導(dǎo)結(jié)果是不一樣的。不同的場強(qiáng)、不同的作用時(shí)間、不同的方向和消退效應(yīng)，其結(jié)果也是不一樣的。如何從微觀的角度分析其差異，是下一步要研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

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5.2 靜電處理細(xì)胞促使染色體變異機(jī)理

試驗(yàn)表明[20]，靜電處理植物細(xì)胞能夠增長有絲分裂中期的細(xì)胞數(shù)目，縮短細(xì)胞有絲分裂周期，提高細(xì)胞的分裂速度。靜電處理植物細(xì)胞不僅可以使DNA復(fù)制加快，還能使核酸蛋白質(zhì)分子中的氫鍵斷合，引起染色體變異。通過靜電處理，引起細(xì)胞染色體變異大致有以下幾種 [21-23]：染色體斷片、染色體落后、染色體橋不等分裂、單極紡錘體和多極紡錘體。而其主要形成原因是經(jīng)常使核酸蛋白質(zhì)中帶電離子數(shù)目改變，加速氫鍵的形成速度，促使染色體變異。

靜電場對植物生長誘導(dǎo)的機(jī)理十分復(fù)雜。它是一門靜電學(xué)與生物學(xué)的交叉學(xué)科，其研究難度大。本研究結(jié)果可為從事用靜電對植物進(jìn)行調(diào)控的應(yīng)用工作者提供有益的幫助。但是要更詳細(xì)地解釋其機(jī)理，尚需做不少工作。例如，靜電正離子電場與負(fù)離子電場作用到同種植物上，或同一種靜電場作用到不同植物上，其誘導(dǎo)結(jié)果是不一樣的。不同的場強(qiáng)、不同的作用時(shí)間、不同的方向和消退效應(yīng)，其結(jié)果也是不一樣的。如何從微觀的角度分析其差異，是下一步要研究的課題。

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5.2 靜電處理細(xì)胞促使染色體變異機(jī)理

試驗(yàn)表明[20]，靜電處理植物細(xì)胞能夠增長有絲分裂中期的細(xì)胞數(shù)目，縮短細(xì)胞有絲分裂周期，提高細(xì)胞的分裂速度。靜電處理植物細(xì)胞不僅可以使DNA復(fù)制加快，還能使核酸蛋白質(zhì)分子中的氫鍵斷合，引起染色體變異。通過靜電處理，引起細(xì)胞染色體變異大致有以下幾種 [21-23]：染色體斷片、染色體落后、染色體橋不等分裂、單極紡錘體和多極紡錘體。而其主要形成原因是經(jīng)常使核酸蛋白質(zhì)中帶電離子數(shù)目改變，加速氫鍵的形成速度，促使染色體變異。

靜電場對植物生長誘導(dǎo)的機(jī)理十分復(fù)雜。它是一門靜電學(xué)與生物學(xué)的交叉學(xué)科，其研究難度大。本研究結(jié)果可為從事用靜電對植物進(jìn)行調(diào)控的應(yīng)用工作者提供有益的幫助。但是要更詳細(xì)地解釋其機(jī)理，尚需做不少工作。例如，靜電正離子電場與負(fù)離子電場作用到同種植物上，或同一種靜電場作用到不同植物上，其誘導(dǎo)結(jié)果是不一樣的。不同的場強(qiáng)、不同的作用時(shí)間、不同的方向和消退效應(yīng)，其結(jié)果也是不一樣的。如何從微觀的角度分析其差異，是下一步要研究的課題。

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