植物电生理是电生理学的重要组成部分,作为植物电生理学的主要研究对象,植物电信号是植物对外界环境刺激做出的最初响应,在胞内、胞间信息传递和生理过程调节中起到了重要作用。目前虽然对植物电信号的研究有许多成果,但总体而言依然有许多科学问题值得探索,特别是植物多细胞间电信号的关系和传导规律研究。植物电信号多细胞传递规律研究较少,一方面是因为传统测量方法的限制,不能做到兼具时间分辨性和空间分辨性的植物群体细胞电信号的测量；另一方面是信号分析方法的局限,使部分测量信息没有完全呈现。本论文在传统的测量技术基础上引入信号分析方法,运用具有高时空分辨率的微电极阵列测量技术和光学标测技术对植物电信号的产生和传递进行了测量研究。主要研究内容如下1.通过实验记录和独立分量分析、聚类分析方法的扩展应用,实现了植物动作电位源信号的分离,证明了植物电信号构成的混合信号源特性。用不同强度刺激对黄瓜茎秆进行动作电位的诱导,并用Ag/AgCl电极和玻璃微电极进行了胞外记录和胞内记录。发现多个刺激强度均能诱导出动作电位,不同刺激强度诱导的动作电位在幅度、时长等参数上存在明显差异。通过对不同刺激强度下测量动作电位进行统计,绘制强度-时值曲线,发现黄瓜茎秆中存在不同的刺激强度曲线。胞内外同时记录结果验证了胞内信号和胞外信号具有的偏导数学关系,证明了胞外信号的混合特性。独立分量分析结果表明黄瓜茎秆内动作电位具有不同的信号来源,不同信号源之间的差异主要表现为时程的长短。通过对独立分量分析所得8个样本的分量进行单独聚类,以及对32个样本所得128个分量的整体聚类,发现源信号分量可明显的分为三类。通过胞内记录结果的判断,推测黄瓜茎秆中构成不同信号源的细胞类型为筛管细胞、伴胞以及薄壁细胞。2.引入微电极阵列技术,实现了植物细胞电信号高空间分辨原位测量,发现了向日葵电信号传递的复杂路径。对MED64微电极阵列系统的构成和各部分特性进行了介绍,给出了阵列电极的包被方法,描述了阵列电极和叶片达到良好耦合的方法。通过1mM.2mM.5mM.10mMKCl和标准培养液的对比试验,验证了导电介质对信号测量的影响。应用微电极阵列系统有效记录到了刺激诱导的向日葵叶片电活动,对烧伤刺激、冰刺激和切伤刺激诱导的叶片电位变化记录表明,微电极阵列系统可以同时记录多位点的电位变化。给出了基于微电极阵列记录电活动数据进行传导可视化的编码算法。对测量结果的可视化分析和传导路径的标示表明,向日葵叶片变异电位具有复杂的传递模式,既有主传导路径又有分支传导路径,结合显微图像观察,确定主传导路径为叶片主脉及支脉,支传导路径则为表皮细胞、叶肉细胞等构成的叶片区域。主传递路径中电信号传递速度较低,一般小于1mm/s,支传递路径中传递速度较高,可达到2-3mm/s。通过Ca2+通道、K+通道、H+一ATPase阻滞剂La3+、TEA.止钒酸钠阻滞实验,发现离子阻滞剂影响变异电位的产生和传递,证明了向日葵叶片变异电位产生和传递的离子机制特性,并进步说明了传递的电偶联机制。3.通过配置荧光显微测量平台和荧光冷CCD,选用DiBAC4(3)电压敏感染料作为膜电位指示探针,搭建了植物电信号光学标测平台。提出了植物电活动空间分布可视化算法,编写了基于Matlab的荧光信号提取软件,可以实现从图像序列中自动提取荧光强度变化信息。对电压敏感染料DiBAC4(3)进行了膜电位原生质体校正和在体校正,向日葵茎秆原生质体校正实验表明,在膜电压-100mV-0mV范围内,膜电压变化1mV DiBAC4(3)相对荧光强度变化约1%,向日葵茎秆在体校正实验表明,在-120mV-0mV范围内,膜电位每变化10mV染料相对荧光强度变化约1%。通过改变溶液的pH值验证了染料荧光强度对pH值改变的响应。向日葵茎秆动作电位光学标测方法记录表明,应用电压敏感染料DiBAC4(3)配合倒置荧光显微镜平台,可以有效记录到向日葵茎秆动作电位引起的荧光强度变化,并且可以高空间分辨率表示出信号的分布规律,结果分析表明动作电位在向日葵茎秆中的主要传递路径为韧皮部区域,在木质部、髓鞘和皮层组织中没有发现动作电位的分布。相干分析结果表明韧皮部不同区域信号具有较高的同步特性,表明了动作电位可以在有胞间连丝连接的韧皮部细胞中进行传递。应用光学标测系统对向日葵叶片保卫细胞、表皮细胞和叶肉细胞产生的电活动进行了光学标测记录,记录结果发现在各类细胞中均有变异电位产生,通过信息熵的计算,发现在保卫细胞自身区域存在明显的信息流动,同时发现保卫细胞和表皮细胞间也有信息流动产生,支持了电信号通过递质传递的假说。