CN106970121B - 一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，属于植物生理信息检测技术领域。本发明建立了一套植物不同盐水平下，叶片生理电容与盐度水平以及叶片紧张度与盐度水平的关系模型，采用两参数的指数衰减方程拟合相关电生理指标与盐度之间的关系，获得对应的表达式，依据表达式获取植物叶片最大生理电容和植物叶片最大紧张度。本发明采用物理方法，对植株损伤小，结果灵敏、精确度高，可以真实反映植物活体的生理电容和紧张度，解决了因细胞液溶质浓度为0的状态在实际情况下不存在，难以直接用仪器测得植物叶片生理电容和叶片紧张度的问题。

Description

一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法

技术领域

本发明属于植物生理信息检测技术领域，具体涉及一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法。

背景技术

目前植物电生理信息检测方面取得了长足的进展，人们正试图利用植物组织电参数值的变化反映植物体宏观与微观的结构变化，表征植物生命活动过程。植物属于生物体，是介于导体和绝缘体之间的电介质，在外电场的作用下具有特定的电容值。水是植物生命周期活动中各项生理活动和酶促反应进行必不可少的成分。植物的各项生命活动离不开水的参与。当植物叶片细胞失水如蒸腾时，叶肉细胞的细胞壁、细胞都因失水而收缩，细胞体积变小。如果植物吸收水分，外液中的水分就会进入叶肉细胞，细胞因吸水而膨胀，细胞体积变大。细胞的水分状况与细胞的这种膨胀度或收缩度紧密相关。我们把因水分的变化而导致细胞的这种膨胀度或收缩度的变化称为叶片紧张度的变化，也即叶片细胞的这种膨胀度或收缩度称为叶片紧张度。

细胞液浓度以及体积的变化能够用生理电容或者紧张度来反映。植物叶片最大生理电容和最大紧张度分别表征细胞液溶质浓度为0时的植物叶片生理电容和叶片紧张度，这种状况因在实践中不存在，因此，不能用仪器直接测得。本发明则是提供一种利用不同水平的盐逆境造成水分状况的差异，构建模型，计算出细胞液溶质浓度为0时的植物叶片生理电容和叶片紧张度。植物叶片最大生理电容和最大紧张度是每种植物固有的特性，是用植物叶片生理电容或者叶片紧张度研究植物细胞的水分变化必不可少的参照，对用植物电生理信息研究植物抗盐、抗旱和抗逆性等抗性能力方面具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种测定植物叶片最大电容和最大紧张度的方法，解决了因细胞液溶质浓度为0的状态在实际情况下不存在，难以直接用仪器测得植物叶片最大生理电容和叶片最大紧张度的问题，为用植物叶片生理电容或者叶片紧张度研究植物细胞的水分变化提供了参照。

本发明采取以下技术方案：

一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，包括以下步骤：

步骤一，实验室内采用同样规格的穴盘萌发植物种子，配制培养液培养幼苗至3叶期以上，选择生长较为一致的幼苗作为被考察植物幼苗；

步骤二，将被考察植物幼苗分别培养在含有不同盐度水平的培养液中；

步骤三，待被考察植物培养至二周以上，以第一展开叶为考察对象，于同一时段测定其叶水势W和生理电容CP；

步骤四，依据叶水势W和生理电容CP计算叶片紧张度LT；

步骤五，利用两参数的指数衰减方程构建叶片生理电容CP与盐度水平以及叶片紧张度LT与盐度水平模型；

步骤六，依据叶片生理电容CP与盐度水平以及叶片紧张度LT与盐度水平模型获取植物叶片最大生理电容CP_max和植物叶片的最大紧张度LT_max。

进一步，所述步骤二中盐度水平以培养液的电导率表示。

进一步，所述步骤四中计算叶片紧张度LT的公式为其中i系解离系数，R为气体常数，T为热力学温度，ε₀为真空介电常数，a为细胞液溶质的相对介电常数，M为细胞液溶质的相对分子质量。

进一步，所述步骤五中叶片生理电容CP与盐逆境水平模型为叶片紧张度LT与盐逆境水平模型为其中a₁、a₂、b₁、b₂是模型常数，X_EC为盐逆境水平。

进一步，所述步骤六具体为：将X_EC＝0分别代入和中，求出CP和LT的值，此时CP＝a₁，LT＝a₂；即a₁为植物叶片最大生理电容CP_max，a₂为植物叶片的最大紧张度LT_max。

本发明的有益效果为：

1)本发明建立了植物不同盐水平下，叶片生理电容与盐度水平以及叶片紧张度与盐度水平模型，可以在测定植物叶片最大生理电容和植物叶片的最大紧张度的同时，描述植物电生理指标与盐度之间的关系。

2)本发明实现了植物叶片最大生理电容和植物叶片的最大紧张度的测定，测得的植物叶片最大电容和最大紧张度是特定植物叶片生理电容或者叶片紧张度的参照值；本发明采用物理方法，对植株损伤小，结果灵敏、精确度高，可以真实反映植物活体的生理电容和紧张度。

附图说明

图1为叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(a)为红秋葵叶片生理电容CP与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(b)为红秋葵叶片紧张度LT与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(c)为绿秋葵叶片生理电容CP与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图图1(d)为绿秋葵叶片紧张度LT与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图；

具体实施方式

下面将对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

发明原理：

植物出现干旱时往往导致组织内体液浓度升高，电阻增大和电容值减小的现象。但是，由于植物叶片结构和内部溶液分布比较复杂，因此，干旱引起的叶片生理特性与电物理特征并不存在简单的线性关系。以叶片为平板电容器的介质，叶片的水分发生变化必然引起介电常数的变化，从而在电容值上反映出来。

植物体内各项生命活动的进行离不开水，如矿质元素的运输、吸收，光合产物的合成、转化和运输，植物体正常体温维持等方面具有重要作用。植物叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的重要场所。叶肉细胞扩张和叶片生长对水分条件十分敏感，植物叶片要保持挺立状态既需要纤维素的支持，还需要组织内较高膨压的支持，植物缺水时出现的萎蔫现象就是膨压下降的表现。当正常植株受盐分胁迫时，叶片叶肉细胞的细胞和细胞壁因失水而收缩，细胞体积变小，且细胞内的这种水分状况与细胞膨胀度或收缩度密切相关。叶片细胞发生的这种细胞膨胀度或收缩度可以用叶片紧张度来表示。

植物对盐胁迫会产生应激反应，不同浓度梯度的盐胁迫使植株较正常植株在叶片生理特征和电物理特征上表现出差异。实验发现，采用电导率表征盐胁迫程度，叶片水势W和生理电容CP之间存在一定的相关性。依据水势W和生理电容CP可以用来计算出叶片紧张度LT。

两参数的指数衰减方程为：

Y＝a e^-bX (1)

其中，e是自然对数常数，a代表初始叶片紧张度或者生理电容，b代表衰减速率。

利用两参数的指数衰减方程分别构建叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐度水平模型：

其中a₁、a₂、b₁、b₂是方程的常数，X_EC为盐度水平，以溶液的电导率表示。

当细胞内是纯水时，细胞的电容值和紧张度值最大。因此将X_EC＝0分别代入和中，求出CP和LT的值，即分别为植物叶片最大生理电容CP_max和植物叶片的最大紧张度LT_max。

实施例：

取秋葵为研究材料，品种分别为红秋葵和绿秋葵；实验室内采用12孔穴盘萌发秋葵种子，配制霍格兰培养液培养幼苗至3叶期后，分别选择生长较为一致的幼苗作为被考察植物幼苗；添加等量的NaCl和CaCl₂到霍格兰培养液中，配制不同盐度水平的培养液(用培养液的电导率表示)，如表1。

表1不同盐度水平

分别用不同盐度水平的培养液对上述3叶期的被考察植物幼苗同时进行培养，每天更换新的相对应的培养液，以第一展开叶为考察对象，在培养的第21天的上午9：00-11：00时测定其叶水势W和生理电容CP(表2)；依据叶水势W和生理电容CP计算叶片紧张度LT，计算叶片紧张度LT的公式为：

其中：W为植物组织水势，MPa；i系解离系数，其值为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度K，T＝273+t℃，t为环境温度；CP为植物叶片生理电容，F；真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m；a为细胞液溶质的相对介电常数，F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；叶片细胞液溶质假定为蔗糖，此时a为3.3F/m，M为342；结果如表2。

表2不同盐度水平下两种秋葵叶片生理电容CP、叶水势W和叶片紧张度LT

随后，利用两参数的指数衰减方程构建叶片生理电容CP与盐度水平以及叶片紧张度LT与盐度水平模型，即式(2)、(3)；

通过Sigmaplot软件对叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平之间的关系进行曲线拟合，拟合曲线见图1；同时可得到两参数的指数衰减方程的拟合参数，即红秋葵为a₁＝123.837，b₁＝0.142，a₂＝200.706，b₂＝0.131；绿秋葵为a₁＝161.075，b₁＝0.239，a₂＝240.708，b₂＝0.208；将参数值代入指数衰减方程即可得到对应的关系模型；结果如表3。

表3两种秋葵叶片生理电容CP与盐度水平以及叶片紧张度LT与盐度水平模型

从表3可以看出，叶片生理电容CP与盐度水平以及叶片紧张度LT与盐度水平模型都可以很好地表征电生理指标与盐度之间的关系，从决定系数的平方值(R²)来看，与叶片生理电容CP与盐度关系相比，叶片紧张度LT与盐度关系可更好地用两参数的指数衰减方程来拟合。

依据叶片生理电容CP与盐度水平以及叶片紧张度LT与盐度水平模型获取植物叶片最大生理电容CP_max和植物叶片的最大紧张度LT_max；即将X_EC＝0分别代入式(2)和式(3)中，求出CP和LT的值，此时CP＝a₁，LT＝a₂；即a₁为植物叶片最大生理电容CP_max，a₂为植物叶片的最大紧张度LT_max；结果如表4所示。

表4两种秋葵叶片最大生理电容CP_max和叶片最大紧张度LT_max

从表4可以看出，绿秋葵的最大生理电容与最大紧张度都大于红秋葵，这与绿秋葵的叶细胞大于红秋葵叶细胞有关；叶细胞越小抗旱抗盐能力越强，这与红秋葵抗逆能力强有关。

以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。

Claims (5)

1.一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，实验室内采用同样规格的穴盘萌发植物种子，配制培养液培养幼苗至3叶期以上，选择生长较为一致的幼苗作为被考察植物幼苗；

步骤二，将被考察植物幼苗分别培养在含有不同盐度水平的培养液中；

步骤三，待被考察植物培养至二周以上，以第一展开叶为考察对象，于同一时段测定其叶水势W和生理电容CP；

步骤四，依据叶水势W和生理电容CP计算叶片紧张度LT；

步骤五，利用两参数的指数衰减方程构建叶片生理电容CP与盐度水平模型以及叶片紧张度LT与盐度水平模型；

步骤六，依据叶片生理电容CP与盐度水平模型以及叶片紧张度LT与盐度水平模型获取植物叶片最大生理电容CP_max和植物叶片的最大紧张度LT_max。

2.根据权利要求1所述的一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，其特征在于，所述步骤二中盐度水平以培养液的电导率表示。

3.根据权利要求1所述的一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，其特征在于，所述步骤四中计算叶片紧张度LT的公式为其中i系解离系数，R为气体常数，T为热力学温度，ε₀为真空介电常数，a为细胞液溶质的相对介电常数，M为细胞液溶质的相对分子质量。

4.根据权利要求1所述的一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，其特征在于，所述步骤五中叶片生理电容CP与盐逆境水平模型为叶片紧张度LT与盐逆境水平模型为其中a₁、a₂、b₁、b₂是模型常数，X_EC为盐逆境水平。

5.根据权利要求4所述的一种植物叶片最大生理电容和最大紧张度的测定方法，其特征在于，所述步骤六具体为：将X_EC＝0分别代入和中，求出CP和LT的值，此时CP＝a₁，LT＝a₂；即a₁为植物叶片最大生理电容CP_max，a₂为植物叶片的最大紧张度LT_max。