摘要：選擇性微電極技術(shù)是一種不僅能直接測定活的生物細(xì)胞或細(xì)胞器內(nèi)的離子或分子活度，而且能對活的生物相鄰的位置、功能和代謝速率可能不同的特定微區(qū)細(xì)胞表面的離子或分子流（flux）分別測定的電生理方法。具有操作簡便、實(shí)時、非入侵性（測定移動速率時）、靈敏度高（可達(dá)10-12molescm-2s-1）等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗怯梦⑿突舛酥睆綖?.5~53μm）的離子或分子選擇性電極直接對準(zhǔn)樣品測定，不同于其它化學(xué)測定需取樣品，所以能連續(xù)測定和自動監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。該文闡述了選擇性微電極測定原理，總結(jié)了選擇性微電極技術(shù)在植物生理學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展，并展望了其發(fā)展前景。

植物在生長發(fā)育過程中，不斷從環(huán)境中吸收水分和攝取各種礦質(zhì)元素，并進(jìn)行O2和CO2等氣體交換。研究人員通常是以植物的器官或組織作為研究對象，來了解礦質(zhì)元素、O2和CO2等在植物生命過程中的運(yùn)輸方式、作用機(jī)理。隨著各種微電極的發(fā)展，應(yīng)用微電極對單個細(xì)胞或完整植株特定微區(qū)細(xì)胞進(jìn)行研究已經(jīng)成為可能。

離子/分子選擇性微電極是一種連接了電位計或電流計后，可以對溶液中某些特定離子/分子活度給出電位/電流指示的電極。構(gòu)成微電極的材料，已從傳統(tǒng)的玻璃發(fā)展到金屬、高分子聚合物、碳絲、光纖及其它納米材料。20世紀(jì)50年代以來，隨著離子選擇性微電極的出現(xiàn)和發(fā)展（Hinke 1959；Berman和Hebert 1974；Sykoν?等1981），離子選擇性微電極也開始被用來研究植物（Bowling 1972）。80年代后，選擇性微電極技術(shù)發(fā)展較快，在動物和人體上研究較多，近年來在植物上的研究報告越來越多，有測定生物體液泡（Walker等1995）和細(xì)胞質(zhì)（Carden等2001）中離子的活度的微電極技術(shù)（Carden等2003）；基于離子/分子選擇性微電極技術(shù)發(fā)展而來的技術(shù)，即“非損傷微測技術(shù)”包括如下技術(shù)：1）自參比技術(shù)（Self-Referencing Technolog）（Kühtreiber和Jaffe 1990)；2）生物體表面離子信息的微電極離子流測定（microelectrode ion flux measurement，MIFE）技術(shù)（Newman等1987；Shabala 2000；Newman 2001；Shabala等2005）；3）掃描離子選擇電極技術(shù)（scanning ion-selective electrode technique,SIET）（Kunkel等2001；Kunkel等2005；Vincent等2005；Xu等2006）和4）；還有用于測定生物體表面分子信息的掃描極譜電極技術(shù)（scanning polarographic electrode technique，SPET）(Kunkel等2005；Xu等2006）；因此微電極技術(shù)的最大特點(diǎn)在于，它能準(zhǔn)確地測定單個細(xì)胞或完整植株特定微區(qū)細(xì)胞內(nèi)外離子或分子的活度與流動，被用于研究植物對離子或分子吸收、釋放及跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制。它具有操作簡便、實(shí)時、靈敏度高、非損傷性等特點(diǎn)，而且還可以在電腦控制下連續(xù)測定與自動監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了生物體內(nèi)外離子或分子信息的同時進(jìn)行的實(shí)時測定(Kunkel等2005；Xu等2006）。

1選擇性微電極的工作原理

植物細(xì)胞內(nèi)的離子或分子進(jìn)出細(xì)胞時，在細(xì)胞的內(nèi)外之間會形成一個跨膜的電化學(xué)勢梯度（Δψm）。當(dāng)離子選擇微電極置于細(xì)胞或組織表面時(圖1)，微電極可以對溶液的離子濃度做出響應(yīng)，由于細(xì)胞可以吸收或釋放離子或分子，與細(xì)胞或組織表面離子或分子的濃度存在著濃度梯度，因此，會產(chǎn)生離子或分子的擴(kuò)散性移動，傳感器產(chǎn)生的信號經(jīng)放大器的放大輸出到計算機(jī)，就可以實(shí)時地檢測到細(xì)胞或組織表面離子或分子流動的變化。計算離子或分子的移動速率，離子擴(kuò)散是可依據(jù)Fick第一定律進(jìn)行計算（Kühtreiber和Jaffe 1990；Xu等2006），也可依據(jù)能斯特（Nernst）方程（Newman 2001）計算。

1.1依據(jù)Fick定律推導(dǎo)離子移動速率

離子選擇性微電極在待測離子濃度梯度中對已知的兩點(diǎn)的距離（dx）進(jìn)行測定，分別獲得電壓V1和V2（圖2）。兩點(diǎn)間的濃度差（dc）從V1、V2及已知的該電極的電壓/濃度校正曲線計算就可以獲得。D是離子或分子特異的擴(kuò)散系數(shù)（單位：cm-2s-1），將它們代入Fick的第一擴(kuò)散定律公式：

Jo=-D·dc/dx，可獲得該離子的移動速率（Jo，單位為moles·cm-2·s-1）。

1.2依據(jù)能斯特方程推導(dǎo)離子移動速率

在測定開始時，微電極的尖端位于被測試材料距離x的位置，在距離x處，溶液中離子的電化學(xué)勢為μ（J/mol）。根據(jù)離子的自由濃度c和電勢Vb，μ可以根據(jù)如下公式計算：

μ=μo+RT㏑γc+zFVb，式中μo為電化學(xué)勢參考值，z為離子化合價數(shù)，γ為離子在溶液中的活動系數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)（96500 C/mol），R為氣體常數(shù)（8.3 J mol-1K-1），T為熱力學(xué)溫度（K）。當(dāng)離子選擇微電極的尖端緩慢移動（不攪動溶液）一段距離（dx）時，新位置處的電化學(xué)勢為μ+dμ，此處的dμ為新位置處的濃度c與電勢Vb的變化值，而電化學(xué)勢參考值μo不變。標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)理論認(rèn)為，根據(jù)離子濃度c（mol/m）、離子的運(yùn)動速度u（m s-1mol-1newton-1）以及電化學(xué)勢梯度（dμ/dx），就能計算出離子的凈流量J（mol m-2s-1）：

J=cu(dμ/dx)。在電極的內(nèi)部，離子濃度是固定的，因此dμ就表示為內(nèi)部電壓（V）的變化即dV，理想狀態(tài)下dμ=zFdV。V可以用靜電計測定，當(dāng)電極移動一段距離dx時，靜電計測定值為dV。對于某一特定離子，u為已知的常數(shù)。因?yàn)長IX并不總是表現(xiàn)為理想的Nernst行為，實(shí)際測定的內(nèi)部dV通過一個因子g（約接近1.1）降低外部的dμ。因?yàn)檫@個原因，需要把外部dμ與內(nèi)部測定的dV聯(lián)系起來，公式應(yīng)為dμ=zFgdV。因此離子的凈流量J就可由如下公式計算：

J=cu zFg(dV/dx)。

雖然Newman（2001）是根據(jù)溶液中離子的電化學(xué)勢（μ）來推導(dǎo)離子的移動速率。但是生物材料實(shí)驗(yàn)證明，離子選擇性微電極的移動距離（dx）在幾十微米以下時，帶電粒子運(yùn)動對電化學(xué)電勢的影響可以忽略不計，所以離子的移動速率也可以通過Fick第一擴(kuò)散定律計算出來。

應(yīng)用選擇性微電極進(jìn)行植物研究的早期工作主要是測定細(xì)胞內(nèi)離子活度（Bowling 1972），隨著三維微操縱技術(shù)和電腦軟件控制技術(shù)的發(fā)展，選擇性微電極技術(shù)也得到了快速發(fā)展，現(xiàn)在不僅能測定細(xì)胞內(nèi)離子活度（Walker等1995；Carden等2003），而且還能測定到活體植物體器官、組織、甚至細(xì)胞表面微量離子以及分子移動的速率。

2在植物營養(yǎng)運(yùn)輸研究中的應(yīng)用

選擇性微電極的出現(xiàn)不僅為研究者提供了快速、靈敏地獲得活體植物營養(yǎng)運(yùn)輸信息的途徑，而且還能用來獲得微小區(qū)域不同離子微量的信息。Henriksen和Spanswick（1993）采用NO3-微電極研究大麥根對NO3-的吸收情況時，發(fā)現(xiàn)只有用NO3-的預(yù)處理才能誘導(dǎo)從0.1 mmol/L的Ca(NO3)2中對NO3-的吸收。當(dāng)有NH4+和NO3-在一起時，與無NH4+的相比，大麥根對NO3-的吸收減少，而對NH4+的吸收則不受影響(Henriksen等1990)。對于NO3-和NH4+同時供給玉米根(0～3.5 mm)時，NH4+的凈吸收比NO3-的凈吸收高2倍。當(dāng)有100μmol·L-1的NH4+時，玉米分生區(qū)對NO3-的吸收急劇下降，而且在其他區(qū)域下降幅度更大，這說明NH4+的存在會抑制NO3-的吸收（Taylor和Bloom 1998）。Colmer和Blomm(1998)用NO3-、NH4+微電極考查水稻不定根對NO3-和NH4+的吸收情況時，發(fā)現(xiàn)NO3-和NH4+在成熟區(qū)、分生區(qū)與伸長區(qū)的吸收之間有差異，距根尖端的1 mm區(qū)域?qū)O3-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，在含有厚壁組織纖維的水稻不定根的基部區(qū)域（距根尖端21 mm之外），NO3-和NH4+的吸收速率明顯較低，因此作者認(rèn)為厚壁組織的纖維限制了根對NO3-和NH4+的吸收。同樣，我們實(shí)驗(yàn)室用H+、K+微電極研究沙冬青的幼根不同區(qū)域在鹽脅迫下H+和K+的進(jìn)出速率情況時，發(fā)現(xiàn)其根冠（0~500μm）和分生區(qū)（500~2500μm）H+、K+的外流量也都較基部（大于2.5 mm之外）大得多。選擇性微電極測定得到的結(jié)果可以說明，根冠和分生區(qū)是吸收營養(yǎng)元素的關(guān)鍵部位。

植物體內(nèi)硝酸鹽營養(yǎng)可明顯改善植株的生長發(fā)育。我國學(xué)者用NO3-微電極測定了小白菜、水稻活體細(xì)胞中NO3-的活度(賈莉君等2005a，b；尹曉明等2005)，因此，NO3-微電極的使用可以為選育氮素高效吸收的植物品種提供電生理指標(biāo)。

鉀是大多數(shù)植物活動細(xì)胞中含量最高的無機(jī)元素，鉀在碳水化合物代謝、呼吸作用及蛋白質(zhì)代謝中起重要作用。另外，鉀離子還是調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢、平衡膜電位的最重要組分。鉀離子進(jìn)入還是逸出植物根系表面與外界環(huán)境中鉀離子的濃度有關(guān)。當(dāng)植物根尖處于低鉀（<10μmol/L）溶液中時，用K+微電極可測到K+會從根的分生區(qū)和伸長區(qū)流出，從而使所處溶液中的K+濃度到50μmol/L（Newman等1987；Ryan等1990，1992）。Ryan等(1992)用Cl-微電極研究小麥對鋁敏感和耐鋁品種根內(nèi)Cl-的流動時，觀察到在小麥根處于0.1 mmol/L的CaC12(pH4.5)介質(zhì)中時，Cl-大量地從分生區(qū)流人介質(zhì)中。

以上研究結(jié)果充分表明，選擇性微電極這種能直接并靈敏地反映植物體特定微區(qū)（>um）對礦質(zhì)元素的需求的測試工具，一方面可供研究者進(jìn)行某種離子高或低吸收的植物品種篩選，另一方面可供研究者制定出與植物需求相適應(yīng)的環(huán)境營養(yǎng)水平。

3在植物生長發(fā)育研究中的應(yīng)用

光通過光周期和非光周期過程影響著葉片的展開。選擇性微電極能探測到光誘導(dǎo)引起的與葉片生長有關(guān)的離子或分子信息。Zivanovic等（2005）利用選擇性微電極比較了白光（2600μmol·m-2·s-1）下及結(jié)合使用DCMU后的玉米葉片不同區(qū)域（葉基部和葉頂部）的H+、K+和Ca2+流量，結(jié)果表明，去表皮葉片的葉基部和葉頂部離子流量無顯著差異，留表皮的葉片的葉基部和葉頂部離子流量有顯著差異，并推測，光誘導(dǎo)引起的葉表皮K+流（動）是葉片展開必需的，葉肉細(xì)胞K+流的變化可能只是起著平衡電荷的作用；光誘導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流既不直接引起葉片展開，也不直接貢獻(xiàn)光合行為表現(xiàn)。該研究表明，選擇性微電極探測到的光引起離子流的變化既與葉片生長相聯(lián)系，也與光合作用有關(guān)。更有趣的是，Shabala和Newman（1997a）用H+、Ca2+微電極研究玉米根不同區(qū)域的回旋轉(zhuǎn)頭運(yùn)動（circumnution）與H+、Ca2+的流動關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)根伸長區(qū)的H+流動與玉米根的回旋轉(zhuǎn)頭運(yùn)動關(guān)系密切。認(rèn)為H+流的振動（oscillation）可能參與了根的回旋轉(zhuǎn)頭運(yùn)動。

菌根是土壤中特有的真菌與植物根的共生聯(lián)合體。植物有了菌根，就可以通過無數(shù)細(xì)長菌絲和菌索吸收土壤中的營養(yǎng)和水分，擴(kuò)大根系的吸收面積，提高吸收能力。選擇性微電極可直接置于植物活的外生菌根（ectomycorrhizae）表面，研究單個菌根對不同離子吸收或釋放的情況（Plassard等2002）。這為在含有不同離子的土壤上種植喜好該土壤中離子的菌根植物，提供了一種方便快捷的方法。由此看來，微電極技術(shù)還可以用來研究不同生活習(xí)性的植物根系對離子吸收的嗜好，為不同植物種植于不同離子含量的土壤中提供理論依據(jù)。

近幾年，選擇性微電極技術(shù)發(fā)展較快，除了能用于測定植物體H+、K+、Na+、Ca2+、Cl-、NO3-、NH4+、Cd2+（Pi?eros等1998）、Mg2+（Shabala和Hariadi 2005）離子信息，還能測定O2信息(Xu等2006；Pang等2006；Shabala等2006）。如，Xu等（2006）利用H+微電極和O2極譜電極同時測定了百合花粉管生長過程中H+和O2進(jìn)出的變化。結(jié)果表明，在花粉管堿化區(qū)域的H+表現(xiàn)為外流，而O2表現(xiàn)為內(nèi)流，因此，推測花粉管堿化區(qū)域有豐富的活躍的線粒體。

上述研究結(jié)果充分說明，選擇性微電極技術(shù)能單獨(dú)地用來有效測定植物生長發(fā)育過程中所需的各種礦質(zhì)元素、H+、O2等的含量和它們之間的關(guān)系，這對人們研究植物根系的生長及其對土壤中各種營養(yǎng)元素的吸收過程提供了一個極為有效的手段。

4在植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究中的應(yīng)用

Ca2+是植物活細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的重要第二信使，通過許多種依賴鈣的調(diào)節(jié)蛋白和功能蛋白，鈣信使幾乎在植物細(xì)胞的所有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中發(fā)揮著重要作用。觸摸、病原物侵染、植物激素、逆境(包括鹽脅迫、氧化脅迫、低溫、高溫、干旱等)均能引起胞內(nèi)Ca2+水平改變。這種變化通過啟動胞內(nèi)生理生化過程，起著傳遞和放大信號的作用(Bush 1995)。

Bjorkman和Cleland(1991)采用Ca2+微電極測定玉米根尖表面Ca2+的流（動），發(fā)現(xiàn)在受重力刺激的根尖內(nèi)外存在一個Ca2+梯度。該Ca2+梯度似乎具有信號傳遞功能。隨著Ca2+微電極技術(shù)的不斷應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)Ca2+流（動）還涉及到植物對各種環(huán)境脅迫的反應(yīng)。如，Huang等（1992）認(rèn)為Al3+能抑制對Al3+敏感小麥品種對Ca2+的吸收，而不抑制耐Al3+小麥品種對Ca2+的吸收。Halperin等（1997）發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下大麥根尖對Ca2+的吸收下降，而其他區(qū)域則不下降。Vincent等（2005）比較了野生型和突變體擬南芥根毛外部Ca2+的流（動）情況，發(fā)現(xiàn)缺失AtSfh1p的根毛的Ca2+信號傳遞異常。Felle等（2000）利用Ca2+和H+微電極考查(GlcNAc)n和Nod factors對苜蓿(Medicago sativa subsp.sativa cv Sitel)根毛細(xì)胞內(nèi)Ca2+和H+活度的變化及細(xì)胞防御反應(yīng)的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)(GlcNAc)n和Nod factors與根毛共生及防御相關(guān)的信號感受位點(diǎn)不同，而且由它們引起的胞內(nèi)Ca2+活性或者pH的變化及其下游響應(yīng)也不一樣。

Shabala和Newman(1997b)用H+微電極測定了對驟冷敏感的黃瓜、南瓜，不敏感的豌豆，蠶豆及中度敏感的玉米等5種作物根表面H+的運(yùn)輸情況，觀察到經(jīng)過4℃冰箱冷脅迫處理1.5 hr的植物根系表面的H+，開始幾分鐘都表現(xiàn)為外流，只是耐冷的豌豆和蠶豆的H+外流持續(xù)時間短些（3~4 min），而冷敏感的黃瓜和南瓜的H+外流持續(xù)時間長（8~12 min），而且耐冷的豌豆和蠶豆的ACT1（associated with H+minimum）和ACT2（associated with H+maximum）顯著的低于冷敏感的黃瓜和南瓜的。并認(rèn)為離子流(動)的進(jìn)一步研究也許能指明胞內(nèi)感受驟冷脅迫的位點(diǎn)及其信號傳導(dǎo)途徑。

Hanstein和Felle(2002)用Cl-微電極研究觀察了CO2對蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞及其質(zhì)外體中的Cl-活性。結(jié)果表明，CO2濃度從350μl/L增至600μl/L時，質(zhì)外體的Cl-活性在10 min內(nèi)就從3 mmol·L-1增加到14 mmol/L，這表明大量Cl-從保衛(wèi)細(xì)胞流出。這種Cl-反應(yīng)與關(guān)閉光源所引起的Cl-外流相似。CO2引起的Cl-外流暗示有一個來源于CO2的中間效應(yīng)器，它能激活保衛(wèi)細(xì)胞原生質(zhì)膜上的陰離子通道，從而引起Cl-外流。Tegg等（2005）利用非損傷離子流測定技術(shù)探測到了植物組織（根、花粉管）因使用thaxtomin A（一種植物毒素）而引起的Ca2+和H+流量變化，并認(rèn)為具有組織特異性的Ca2+、H+流量的快速變化，是thaxtomin A引發(fā)的早期信號，是植物感知病原體的關(guān)鍵方式。

上述結(jié)果說明，超靈敏的選擇性微電極可以應(yīng)用于離子的極微量變化的信號探測。

5在植物逆境生理研究中的應(yīng)用

隨著選擇性微電極技術(shù)的日益成熟，近年來，許多學(xué)者開始用選擇性微電極探討植物適應(yīng)逆境的離子或分子流的瞬間變化（我們稱之為原初響應(yīng)機(jī)制）。Shabala（2000）考察了蠶豆葉片葉肉細(xì)胞在鹽脅迫和滲透脅迫下離子流的響應(yīng)機(jī)制，觀察到90mM NaCl會導(dǎo)致K+出現(xiàn)明顯的外流，促進(jìn)H+泵活性，但是當(dāng)測定液中含有10mM Ca2+時，上述現(xiàn)象就不發(fā)生。然而Na+流無論在高Ca2+或低Ca2+的測定液中，變化都不明顯。相反地是，蠶豆葉片在150mM甘露醇（相當(dāng)于-0.38 MPa）下，K+出現(xiàn)明顯的內(nèi)流。因此，Shabala認(rèn)為蠶豆葉參與感知鹽分和滲透脅迫的離子響應(yīng)機(jī)制是不同的。而且他們還發(fā)現(xiàn)，所處測定液的離子組成的變化并不會改變滲透脅迫(150mM甘露醇)引起葉肉細(xì)胞K+、Cl-顯著的增加（Shabala等，2000）。另外，shabala等（2002）把選擇性微電極技術(shù)和壓力探針技術(shù)結(jié)合起來，直接觀察到了滲透脅迫時擬南芥根表皮細(xì)胞膨壓變化與離子移動之間的關(guān)系，實(shí)時地證明了滲透脅迫一開始，細(xì)胞膨壓立即從0.65 MPa降低到大約0.25 MPa。當(dāng)脅迫2~10 min左右時，細(xì)胞膨壓開始恢復(fù)，而且此時伴隨著K+、Na+、Cl-的顯著內(nèi)流(30~80 nmolm-2s-1)，并認(rèn)為細(xì)胞膨壓的快速恢復(fù)主要是由于滲透脅迫引起大量K+、Na+、Cl-調(diào)入細(xì)胞，從而加大吸水能力。

Carden等（2003）在測定200 mmol/LNaCl脅迫下小麥根內(nèi)Na+、K+、H+活度的變化時，將微電極分別插入根皮層細(xì)胞的胞質(zhì)里和液泡里，測定了這兩部分Na+等離子在200 mmol/LNaCl脅迫下第5、8天發(fā)生的變化。結(jié)果表明，NaC1脅迫處理后的第5天，大麥耐鹽品種‘Gerbel’和鹽敏感品種‘Triumph’根皮層細(xì)胞胞質(zhì)都具有較高K+活度，而細(xì)胞胞質(zhì)中的Na+活度則是鹽敏感品種明顯高于前者；NaC1脅迫處理第8天，耐鹽品種根細(xì)胞胞質(zhì)仍能維持高K+活度，而鹽敏感品種的K+活度下降，Na+活度則‘Gerbel’細(xì)胞胞質(zhì)中高于‘Triumph’。Pang等（2006）用選擇性微電極研究了耐澇大麥與澇敏大麥在水澇（即氧不足）條件下，大麥根三個區(qū)域表面的H+、K+、O2流（動）。發(fā)現(xiàn)澇敏大麥‘Naso Nijo’在氧不足時，其根成熟區(qū)表面的K+內(nèi)流量急劇變小，而耐澇大麥‘TX9425’K+內(nèi)流量幾乎未發(fā)生變化。

當(dāng)用選擇性微電極進(jìn)行長時間監(jiān)測時，還可以觀察到植物體的離子或分子流呈現(xiàn)一定的次晝夜節(jié)律性波動變化。Shabala等（2006）用H+、K+、Ca2+、O2微電極分別考查了多種植物及同一植物不同部分（燕麥胚芽鞘原生質(zhì)體、番茄花粉管、原生生物細(xì)胞、玉米幼根分生區(qū)、玉米葉表皮）的H+、K+、Ca2+、O2流（動）。觀察到H+、K+、O2流（動）具有內(nèi)生的波動節(jié)律性變化，Ca2+流（動）卻沒有波動，而且H+、K+、O2流次晝夜節(jié)律性波動的周期會隨著環(huán)境溫度、氧濃度、試驗(yàn)植株生長的基液的化學(xué)組成、鹽和滲透脅迫的變化而變化；跨膜的H+流的波動周期隨著試驗(yàn)植株所處的基液中K+、NaCl濃度的升高而增大，隨著環(huán)境溫度上升而減??；O2流的次晝夜節(jié)律性波動隨著環(huán)境溫度下降、氧不足而變慢。

上述研究充分說明，選擇性微電極技術(shù)可以及時準(zhǔn)確地檢測到活體植物離子或分子信息因環(huán)境變化而引起的微量變化。因此，該技術(shù)可能成為最靈敏、最直觀、能實(shí)時反映逆境脅迫后植物的生理指標(biāo)測定方法之一。

6選擇性微電極技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與局限

選擇性微電極技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)，是在保持被測植物樣品完整（即不造成任何損傷）和接近實(shí)際生理狀態(tài)環(huán)境下進(jìn)行測定，并能實(shí)時、連續(xù)地獲得進(jìn)出活體植物組織、器官、單個細(xì)胞甚至細(xì)胞器內(nèi)特定離子或分子活度計移動速率。雖然膜片鉗技術(shù)也能實(shí)時監(jiān)測植物生物膜離子通道的離子（電）流(ion current)變化，但是它只能用于研究脫去細(xì)胞壁后的生物膜的離子通道（電）流（許越和邱澤生1993；朱俊英等2006），使得它在植物上很難廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，現(xiàn)在也有研究者把選擇性微電極技術(shù)與膜片鉗技術(shù)結(jié)合起來，同時監(jiān)測生物膜的離子流（動）（ion flux）和離子（電）流（Tyerman等2001；Gilliham等2006），這為實(shí)時探明不同環(huán)境下生物膜離子通道、載體或泵活性的變化提供了很好的研究平臺。選擇性微電極技術(shù)與膜片鉗技術(shù)及常規(guī)技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，上述3種方法在測定離子流時的差異見表1。

當(dāng)然，目前選擇性微電極技術(shù)也有制作困難，且不易保存，離子載體或LIX的選擇性系數(shù)不理想（Knowles和Shabala 2004），且選擇性微電極所測到的電位與溶液的濃度并不總是呈現(xiàn)理想的能斯特斜率（Nernstian slope），另外膨脹狀態(tài)的植物細(xì)胞及其細(xì)胞壁，容易損壞微電極的尖端(Felle 1989)，因此在一定程度上也限制了其應(yīng)用的范圍。

7展望

選擇性微電極技術(shù)能用于直接并靈敏地觀察植物體對礦質(zhì)元素的需求，研究者可利用選擇性微電極技術(shù)進(jìn)行對植物某種離子或高或低的吸收的品種的篩選，還可制定出與植物需求相適應(yīng)的環(huán)境的營養(yǎng)水平；能及時準(zhǔn)確地探測到的光、溫、水澇、鹽分引起的植物體離子或分子信息的微小變化，能成為預(yù)測植物受到逆境脅迫最直觀、最靈敏的生理指標(biāo)測定方法之一；超靈敏的選擇性微電極可以應(yīng)用于信號傳遞過程中有關(guān)離子或分子的微量變化的信號探測；還可用于基因組后期研究所面臨的那些未知的或者人工表達(dá)的蛋白質(zhì)功能的研究鑒定，等等。

近年來，在分析化學(xué)上對離子選擇電極取得了很大進(jìn)展，測定下限得到了很大提高，如Ca2+等可以達(dá)到10-9 mol/L水平（Michalska 2006），以及光纖維微電極的發(fā)展（Wolfbeis 2006）、納米微粒傳感器的進(jìn)展，特別是碳纖維微電極伏安法的進(jìn)展為細(xì)胞生物化學(xué)物質(zhì)的交換等研究產(chǎn)生重大影響。選擇性微電極技術(shù)在測定植物體內(nèi)信號物質(zhì)（如NO、H2O2、CO），磷酸鹽和Cu2+、Zn2+等微量元素也取得一些新的進(jìn)展(Bakker和Qin 2006)，使該方法在植物生理上的研究日益完善。

總之，由于選擇性微電極技術(shù)是非損傷性地分別記錄活體植物細(xì)胞表面的離子或分子移動的原初響應(yīng)機(jī)制，能讓研究者在真正意義上實(shí)現(xiàn)與活體植物器官不同細(xì)胞的直接對話，能讓研究者實(shí)時了解植物體隨環(huán)境變化發(fā)生的變化及植物（細(xì)胞）所做出的反應(yīng)誘發(fā)所做出的反應(yīng)的原因。隨著旭月（北京）科技有限公司將“非損傷微測技術(shù)”引進(jìn)到國內(nèi)，選擇性微電極理論研究的深入和探測技術(shù)的不斷發(fā)展，必將更準(zhǔn)確、更全面地揭示植物體離子、分子信息與植物特定功能之間的關(guān)系，為國內(nèi)植物生理研究者揭示植物體內(nèi)在的生命活動規(guī)律提供較好的技術(shù)手段。

致謝：北京林業(yè)大學(xué)尹偉倫院士對本文的熱情支持和指導(dǎo)。