高壓靜電場誘導植物生長的機理研究

蔣耀庭++趙云++趙航

摘 要：系統地闡述了高壓靜電場誘導植物生長的機理，從植物細胞膜、生理特性、遺傳變異以及供應能量4個方面進行了論述和探討。利用物理學和生物學的交叉原理，闡明靜電對植物生長的影響。

關鍵詞：高壓靜電場；植物生長；微觀機理

中圖分類號： Q947.8 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.03.024

目前，靜電生物效應的研究和應用已日益向縱深發展，對植物的生物效應研究也取得了可喜的成就[1-3]。本研究利用從試驗中獲得的結果，以現有的認識水平和程度，從理論的角度對高壓靜電場（以下均簡稱靜電場）對植物的誘導機理進行研究。

眾所周知，地球上的植物生長，除了需要陽光、水、礦物質等環境因素以外，還需要靜電場、磁場、射線、聲波等物理因素。從物理學的角度講，地球本身是一個帶負電的球體。電離層與地面之間的電勢差平均值約為3.0×105 V。晴天時，地球表面的大氣電場的場強值約為100～200 V·m-1[5]，而且，大氣電場內還存在帶電離子的上、下運動，這構成了植物生長必需的靜電場和因帶電離子運動產生的大氣電流。近年來，國內外學者用人工方法將靜電場作用到植物上，對植物的生長進行調控，達到了預期的目的。然而，對于靜電場誘導植物生長機理的研究，還沒有得到一個十分完整而滿意的解釋，本研究從5個方面對靜電場對植物的誘導進行研究，以彌補理論上的缺陷。

1 靜電誘導植物生長

國內關于靜電誘導植物生長的報道很多，所采用的靜電場的類型大致有3種：一是正負離子電場；二是正負脈動電場；三是正負靜電場。最常用的是第一種和第二種。

王淑惠等[6]采用適宜強度的靜電場對小麥幼苗進行處理，對小麥幼苗的生長效應、成熟期植株性狀和產品結構進行了測量記錄，見表1和表2。其中，對照組是指未經靜電場處理。

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

從國內多篇報道看，促進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，提高產量[4]。當然，為了延長花卉的開花時間，有時候也采用負離子電場[2]。

2 靜電處理使細胞膜興奮機理

植物的生長發育大部分依賴于植物細胞吸收營養成分，而細胞膜作為細胞與周圍生理環境進行物質交換的重要通道，具有極其關鍵的作用。細胞膜的興奮水平可直接影響植物生長的程度。因此，當某種靜電場作用到植物上時，可使細胞膜興奮，提高細胞膜內外的物質交換的速率，這對于促進植物生長發育具有重要的實際意義。筆者認為，靜電場促進植物中細胞膜的興奮，主要有以下2點機理。

2.1 靜電影響細胞膜電位促使細胞膜興奮機理

細胞膜是細胞質與外界相隔的一層薄膜，又稱質膜，是位于原生質體外圍，緊貼細胞壁的膜結構，而細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”。細胞膜的磷脂雙分子層將細胞內液與細胞外液分隔，由于細胞內外帶電離子不均等分布在膜的兩側，因此，存在一定的電位差，形成細胞膜電位，圖1顯示了細胞膜的等效電路[7]。

細胞膜電位主要分為兩種：靜息電位和動作電位。靜息電位是指細胞未受外界刺激時存在于細胞內外兩側的電位差。細胞在未受外界刺激時，細胞內的生理環境較為穩定，在其中發生著許多重要的生物化學反應。K+順著細胞膜內外的濃度差擴散至細胞膜外，正電荷增多，膜外電位上升，膜內呈現極低的負電位。而Na+內流至細胞膜內，進而提高膜內電位，最終K+、Na+所維持的細胞膜內外的電位差構成了細胞膜的靜息電位，此時，細胞膜的離子凈流動速率呈現動態平衡。

動作電位是指細胞受到刺激，在靜息電位的基礎上發生一次短暫的、擴散性的電位變化。當外界給予細胞一定的刺激后，細胞膜的靜息電位呈現活化狀態。首先出現緩慢的去極化狀態，Na+通道開放，Na+大量內流，膜電位逐漸變小，當達到-50 ～ 55 mV的臨界水平 [8]，即閾電位時，隨即產生一個爆發性的除極化，動作電位短時間達到0 mV，細胞內外電位相等，膜電位極性反轉，之后細胞膜電位進行反極化，大量K+順濃度差電位差流向細胞膜外，膜電位恢復到靜息狀態。

通過靜電處理細胞膜，可使細胞膜上的通道蛋白形態發生改變，膜電容增大，促使K+、Na+流向發生改變。細胞膜電位由靜息電位轉變為動作電位，Na+通道蛋白開放，內負電位降到閾電位水平。細胞進行去極化過程，此時細胞膜處于興奮狀態。離子的凈流動速率大大加快。并且電流的流向均是朝向內，植物表現內壓“電恒”狀態。因此，通過靜電處理使細胞膜興奮，提高離子的通透性，進而促進細胞吸收離子的過程，加快細胞與周邊生理環境進行物質交換。

2.2 靜電通過影響細胞膜分子結構促使細胞膜興奮機理

細胞膜的基本結構是一個有蛋白質鑲嵌的磷脂雙分子層，而膜電位的產生與膜上帶電脂質分子與蛋白質分子的解離狀態與膜內外的離子濃度場有關。由文獻[9]可知，細胞膜外表面處的電勢為：

5.1 靜電處理使細胞中DNA分子合成速率加快機理

眾所周知，基因（遺傳因子）是遺傳的物質基礎，在生物學上的定義為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，通過復制、表達、修復，完成生命繁衍、細胞分裂和蛋白質合成等重要生理過程。在細胞中，存在CDK啟動因子，它是一類重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其主要的生物學作用是啟動DNA的復制和誘發細胞的有絲分裂，以復合物形式出現[19]。該復合物分為催化亞基和調節亞基兩部分，催化亞基為CDK，調節亞基為細胞周期蛋白。CDK與細胞周期蛋白是調控細胞分裂的核心因子。通過靜電處理植物細胞，加速ATP的合成，進而促進CDK與細胞周期蛋白的合成，從而促進細胞的有絲分裂。endprint

5.2 靜電處理細胞促使染色體變異機理

試驗表明[20]，靜電處理植物細胞能夠增長有絲分裂中期的細胞數目，縮短細胞有絲分裂周期，提高細胞的分裂速度。靜電處理植物細胞不僅可以使DNA復制加快，還能使核酸蛋白質分子中的氫鍵斷合，引起染色體變異。通過靜電處理，引起細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常使核酸蛋白質中帶電離子數目改變，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的機理十分復雜。它是一門靜電學與生物學的交叉學科，其研究難度大。本研究結果可為從事用靜電對植物進行調控的應用工作者提供有益的幫助。但是要更詳細地解釋其機理，尚需做不少工作。例如，靜電正離子電場與負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，其誘導結果是不一樣的。不同的場強、不同的作用時間、不同的方向和消退效應，其結果也是不一樣的。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：

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5.2 靜電處理細胞促使染色體變異機理

試驗表明[20]，靜電處理植物細胞能夠增長有絲分裂中期的細胞數目，縮短細胞有絲分裂周期，提高細胞的分裂速度。靜電處理植物細胞不僅可以使DNA復制加快，還能使核酸蛋白質分子中的氫鍵斷合，引起染色體變異。通過靜電處理，引起細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常使核酸蛋白質中帶電離子數目改變，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的機理十分復雜。它是一門靜電學與生物學的交叉學科，其研究難度大。本研究結果可為從事用靜電對植物進行調控的應用工作者提供有益的幫助。但是要更詳細地解釋其機理，尚需做不少工作。例如，靜電正離子電場與負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，其誘導結果是不一樣的。不同的場強、不同的作用時間、不同的方向和消退效應，其結果也是不一樣的。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 靜電處理細胞促使染色體變異機理

試驗表明[20]，靜電處理植物細胞能夠增長有絲分裂中期的細胞數目，縮短細胞有絲分裂周期，提高細胞的分裂速度。靜電處理植物細胞不僅可以使DNA復制加快，還能使核酸蛋白質分子中的氫鍵斷合，引起染色體變異。通過靜電處理，引起細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常使核酸蛋白質中帶電離子數目改變，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的機理十分復雜。它是一門靜電學與生物學的交叉學科，其研究難度大。本研究結果可為從事用靜電對植物進行調控的應用工作者提供有益的幫助。但是要更詳細地解釋其機理，尚需做不少工作。例如，靜電正離子電場與負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，其誘導結果是不一樣的。不同的場強、不同的作用時間、不同的方向和消退效應，其結果也是不一樣的。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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