脉冲电场作用对植物释放负离子与气孔特征的关系

doi:10.11983/CBB16242

植物学报 ›› 2017, Vol. 52 ›› Issue (6): 744-755.DOI: 10.11983/CBB16242

脉冲电场作用对植物释放负离子与气孔特征的关系

吴仁烨^1,², 孙缘芬¹, 郑金贵^1,^2,^*(), 邓传远³, 叶大鹏⁴, 王晴水¹

¹福建省特种作物育种与利用工程技术研究中心, 福州 350002
²福建农林大学, 作物科学学院, 作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室, 福州 350002
³福建农林大学园林学院, 福州 350002
⁴福建农林大学机电工程学院, 福州 350002

收稿日期:2016-12-06 接受日期:2017-05-04 出版日期:2017-11-01 发布日期:2018-02-22
通讯作者: 郑金贵
基金资助:
国家自然科学基金(No.31500207)、国家科技支撑计划(No.2013BAD01B05)和福建农林大学科技发展金计划(No.KF2015076)

Relationship Between Negative Air Ion Generation by Plants and Stomatal Characteristics Under Stimulation of Pulsed Electrical Field

Wu Renye^1,², Sun Yuanfen¹, Zheng Jingui^1,^2,^*(), Deng Chuanyuan³, Ye Dapeng⁴, Wang Qingshui¹

¹Fujian Engineering Technology Research Center of Breeding and Utilization for Special Crops, Fuzhou 350002, China
²Key Laboratory of Ministry of Education for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crop, College of Crop Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
³College of Landscape Architecture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
⁴College of Mechanical and Electronic Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China

Received:2016-12-06 Accepted:2017-05-04 Online:2017-11-01 Published:2018-02-22
Contact: Zheng Jingui

摘要/Abstract

摘要： 植物在自然状态下释放负离子的能力很弱, 施加脉冲电场可激发其释放能力。在密闭的玻璃箱中, 研究紫背竹芋(Stromanthe sanguinea)、绒叶肖竹芋(Calathea zebrina)和朱顶红(Hippeastrum rutilum)在常态、脉冲电场和光照刺激下释放负离子的浓度, 并观察叶片气孔特征, 结果表明: (1) 不同参数脉冲电场对植物释放负离子的能力影响不同, 每种植物均具有高效释放负离子的最佳脉冲电场, 紫背竹芋为A₃B₃C₃(A₃, U=1.5×10⁴V; B₃, T=1.5 s; C₃, τ =65 ms); 绒叶肖竹芋为A₃B₄C₁(A₃, U=1.5×10⁴ V; B₄, T=2.0 s; C₁, τ =5 ms); 朱顶红为A₄B₄C₁(A₄, U=2.0×10⁴ V; B₄, T=2.0 s; C₁, τ =5 ms)。(2) 植物体上所储存的电压越大, 其释放负离子的能力越强。(3) 脉冲电场作用时, 植物释放负离子的能力与光照度呈正相关; 无电场刺激时两者差异不显著(P>0.05)。(4) 植物释放负离子的能力与叶片气孔特征关系密切, 脉冲电场作用下叶片气孔的开合度和气孔密度越大, 其释放能力越强。

关键词: 负离子, 电刺激法, 脉冲电场, 光照度, 气孔

Abstract: Under normal conditions, the capacity of plants to generate negative air ions (NAIs) is very weak. However, stimulation of a pulsed electrical field can result in substantial improvement of the ability for NAI generation. We examined NAI generation in Stromanthe sanguinea, Calathea zebrina, and Hippeastrum rutilum in glass chambers under the natural state and under pulsed electrical field and light stimulation and analyzed the shape of stomata. We found variation in NAI generation by plants due to the different combined parameters of the pulsed electrical field. Each plant has its own optimal pulsed electrical field with a combination of parameters for efficient NAI generation: S. sanguinea with A₃B₃C₃(A₃, U=1.5×10⁴V; B₃, T=1.5 s; C₃, τ =65 ms), C. zebrina with A₃B₄C₁(A₃, U=1.5×10⁴V; B₄, T=2.0 s; C₁,τ =5 ms) and H. rutilum with A₄B₄C₁(A₄, U=2.0×10⁴V; B₄, T=2.0 s; C₁, τ=5 ms). With the application of a pulsed electrical field to plants, the higher the voltage, the greater the capacity for NAI generation. With enhanced light intensity, the ability to generate NAI significantly increased with application of a pulsed electrical field. Without the pulsed electrical field, despite the slightly increased NAI concentration with increasing light intensity, NAI concentration did not differ (P>0.05). Finally, NAI generation was closely related to the characteristics of leaf stomata. Furthermore, a greater degree of stomatal opening and stomatal density was associated with stronger capacity to generate NAI.

Key words: negative air ions, electrostimulation, pulsed electrical field, light intensity, stomata

吴仁烨, 孙缘芬, 郑金贵, 邓传远, 叶大鹏, 王晴水. 脉冲电场作用对植物释放负离子与气孔特征的关系. 植物学报, 2017, 52(6): 744-755.

Wu Renye, Sun Yuanfen, Zheng Jingui, Deng Chuanyuan, Ye Dapeng, Wang Qingshui. Relationship Between Negative Air Ion Generation by Plants and Stomatal Characteristics Under Stimulation of Pulsed Electrical Field. Chinese Bulletin of Botany, 2017, 52(6): 744-755.

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图/表 10

参考文献 52

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Code	Plants	Age (mon- th)	Plant height× Grown bread- th (cm)
P1	Syngonium podophyllum	14	20×20
P2	Lilium brownii var. viridulum	13	70×20
P3	Agave sisalana	24	45×30
P4	Stromanthe sanguinea	12	30×30
P5	Cordyline fruticosa	14	60×50
P6	Calathea zebrina	12	40×45
P7	Hippeastrum rutilum	13	60×40
P8	Neottopteris antiqua	14	40×40
P9	Saxifraga stolonifera	12	30×30
P10	Fatsia japonica	12	50×40

Code	Plants	Age (mon- th)	Plant height× Grown bread- th (cm)
P1	Syngonium podophyllum	14	20×20
P2	Lilium brownii var. viridulum	13	70×20
P3	Agave sisalana	24	45×30
P4	Stromanthe sanguinea	12	30×30
P5	Cordyline fruticosa	14	60×50
P6	Calathea zebrina	12	40×45
P7	Hippeastrum rutilum	13	60×40
P8	Neottopteris antiqua	14	40×40
P9	Saxifraga stolonifera	12	30×30
P10	Fatsia japonica	12	50×40

Code	24 h mini- mum	24 h maxi- mum	24 h mean	Daytime mean	Nighttime mean	Max/ Min	(Day mean-night mean)/ Night mean	Day mean/Night mean
CK	29	38	32 k	34	31	1.31	0.10	1.1
P0	30	36	33 j	34	32	1.2	0.06	1.06
P1	36	56	46 i	48	44	1.56	0.09	1.09
P2	48	94	63 d	68	57	1.96	0.19	1.19
P3	35	81	58 f	63	53	2.31	0.19	1.19
P4	64	91	76 b	79	74	1.42	0.07	1.07
P5	48	71	57 g	58	57	1.48	0.02	1.02
P6	71	90	81 a	80	83	1.27	-0.04	0.96
P7	56	90	75 c	76	74	1.61	0.03	1.03
P8	39	82	57 g	64	51	2.1	0.25	1.25
P9	44	80	62 e	58	66	1.82	-0.12	0.88
P10	40	58	48 h	48	47	1.45	0.02	1.02

Code	24 h mini- mum	24 h maxi- mum	24 h mean	Daytime mean	Nighttime mean	Max/ Min	(Day mean-night mean)/ Night mean	Day mean/Night mean
CK	29	38	32 k	34	31	1.31	0.10	1.1
P0	30	36	33 j	34	32	1.2	0.06	1.06
P1	36	56	46 i	48	44	1.56	0.09	1.09
P2	48	94	63 d	68	57	1.96	0.19	1.19
P3	35	81	58 f	63	53	2.31	0.19	1.19
P4	64	91	76 b	79	74	1.42	0.07	1.07
P5	48	71	57 g	58	57	1.48	0.02	1.02
P6	71	90	81 a	80	83	1.27	-0.04	0.96
P7	56	90	75 c	76	74	1.61	0.03	1.03
P8	39	82	57 g	64	51	2.1	0.25	1.25
P9	44	80	62 e	58	66	1.82	-0.12	0.88
P10	40	58	48 h	48	47	1.45	0.02	1.02

Treatment	Factors			Average of negative air ions concentration (ion·cm^-3)
Treatment	A	B	C	P0	P4	P6	P7
A₁B₁C₁	8	0.5	5	36±3 a	452644±21866 n	91±6 a	8605±983 f
A₁B₂C₃	8	1.0	65	38±2 a	471667±21881 n	92±8 a	9581±948 f
A₁B₃C₄	8	1.5	90	39±2 a	535311±25007 l	94±5 a	8559±874 f
A₁B₄C₂	8	2.0	35	44±2 a	494667±27146 m	98±8 a	8832±543 f
A₂B₁C₄	10	0.5	90	39±2 a	795822±53569 k	95±9 a	20200±1478 f
A₂B₂C₂	10	1.0	35	38±2 a	822267±54244 j	88±8 a	22473±1381 f
A₂B₃C₁	10	1.5	5	37±3 a	813022±50909 jk	85±7 a	23236±2467 f
A₂B₄C₃	10	2.0	65	41±3 a	872734±55664 i	91±4 a	21801±1643 f
A₃B₁C₂	15	0.5	35	105±2 a	1564444±119680 d	226±20 a	181311±20261 e
A₃B₂C₄	15	1.0	90	107±2 a	1628244±191548 c	250±40 a	218444±33270 c
A₃B₃C₃	15	1.5	65	109±3 a	1730800±195344 a	233±16 a	191867±32167 de
A₃B₄C₁	15	2.0	5	107±2 a	1670933±187634 b	262±28 a	208067±34590 cd
A₄B₁C₃	20	0.5	65	130±2 a	1186667±103135 f	170±39 a	301933±30237 b
A₄B₂C₁	20	1.0	5	129±5 a	1264000±117184 e	179±18 a	330356±30322 a
A₄B₃C₂	20	1.5	35	134±3 a	1136800±83461 g	215±33 a	322644±29865 ab
A₄B₄C₄	20	2.0	90	140±4 a	1038133±83109 h	164±51 a	318156±36925 ab

脉冲电场作用对植物释放负离子与气孔特征的关系

Relationship Between Negative Air Ion Generation by Plants and Stomatal Characteristics Under Stimulation of Pulsed Electrical Field

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Treatment	Calathea insignis		Calathea zebrina		Hippeastrum rutilum
Treatment	Voltage (10³V)	NAIC (ion·cm^-3)	Voltage (10³V)	NAIC (ion·cm^-3)	Voltage (10³V)	NAIC (ion·cm^-3)
CK	5.13±0.33 a	1757467±218808 a	5.50±0.14 a	260±33 a	4.32±0.11 a	362000±35957 a
A	1.78±0.10 b	2119±88 b	1.44±0.26 b	152±11 a	0.91±0.06 b	706±29 b
B	0.51±0.03 c	89±6 b	0.66±0.04 c	85±6 a	0.50±0.06 c	77±5 b

Light intensity (lx)	Negative air ions concentration (ion·cm^-3)
	Soil		Calathea insignis		Calathea zebrina		Hippeastrum rutilum
	CK	S	CK	S	CK	S	CK	S
0	35±2 c	127±3 a	53±2 e	824400±88904 e	76±2 e	156±16 a	66±2 e	202067±24109 c
500	36±2 c	136±2 a	69±3 d	1726200±186594 d	80±4 d	275±28 a	69±3 d	298289±36482 b
1500	37±3 bc	138±2 a	79±2 c	1769911±191872 c	83±3 c	284±28 a	77±2 c	308156±36967 b
3000	37±3 bc	135±2 a	81±3 c	1831378±198645 b	80±3 d	297±30 a	79±5 c	328644±39232 a
6000	43±2 a	140±2 a	90±3 b	1813622±197187 b	106±3 b	296±30 a	93±3 b	328200±38992 a
12000	39±3 b	139±3 a	138±4 a	1895200±205601 a	128±3 a	310±31 a	134±3 a	308156±36967 b

Plants	Treat- ment	Length (μm)	Width (μm)	Length/ width	Perimeter	Area (μm²)	Stomatal density (·mm^-2)	Negative air ions concentration (ion·cm^-3)
P4	CK	9.7±2.47 b	1.58±0.49 b	6.84±3.26 a	21.2±4.92 b	11.98±4.64 b	250.88±31.25 a	80±2 b
	S	16.09±2.81a	2.64±0.84 ab	6.89±3.11 a	35.19±5.52 a	33.01±11.27 a	223.16±45.6 b	1740800±195562 a
P6	CK	12.79±2.96 b	1.38±0.4 b	9.93±3.42 a	27.16±6 b	14±5.47 b	84.28±21.45 a	83±3 a
	S	19.87±2.84 a	4.27±1 a	4.94±1.49 b	44.62±5.85 a	66.77±18.54 a	87.48±19.28 a	284±29 a
P7	CK	28.07±4.77 b	3.84±0.41 a	7.38±1.43 ab	60.52±9.58 b	84.77±17.88 b	51.14±4.66 a	72±2 b
	S	33.75±2.6 a	3.45±0.78 a	10.46±3.62 a	71.43±5.56 a	91.93±23.81 a	54.22±4.06 a	338156±36967 a

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