背景
根-基质系统中的电容测量是一种有前途的快速方法，可以 非破坏性地间接评估根系大小（RSS；表1 ）[ 1 , 2 ]。当相同物种在具有相同湿度水平的相同土壤中生长并使用相同的电极类型和放置进行测量时，接地和植物电极之间检测到的根电容 (C R ) 与 RSS 呈线性相关 [ 3 , 4 ]。

表1 命名规则
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如果低频交流电 (AC) 被驱动通过植物组织，膜以及质外体和共质体区室的极化会促进交流信号幅度和相位的变化，从而产生阻抗响应 [ 5 ]。根据第一个概念模型[ 6 ]，根相当于圆柱形电容器，其中根汁和土壤溶液分别是电容器的内板和外板，膜充当分离的介电层（图 1a） ）。所得电容与面积 (A) 和相对介电常数 ( ε r) 的电荷存储膜与板分离 (d) 成反比。在物理电容器中，能量以静电方式存储，有效能量损失极小。然而，包括根在内的活组织是漏电容器，即并联电阻电容（RC）电路[ 7 ]。膜结构是电容元件，而共质体和充满水的细胞间隙代表电阻元件[ 8 ]。有损电介质可以用复数相对介电常数来表征，表示为：ε r * =  ε r ˊ– i ×  ε r ˝，其中ε rˊ 是实部（能量存储），ε r ˝ 是介电常数的虚部（传导能量耗散），i 是虚数单位 (i 2  = –1)。因此，复电容可定义为： C* =  ε 0  × ( ε r ˊ– i ×  ε r ˝) × A × d –1，其中ε 0是自由空间的介电常数 (8.854 F m –1 ) 。介电损耗与能量存储的比率是耗散因数：D =  ε r ˝/ ε r ˊ = G/( ω  × C)，其中 G 是电导 (= 1/R)，ω是角频率。D 是容性阻抗相位角 ( Φ ) 的补数：D = tan(90°– Φ )。

图。1
图1
a根据 Dalton [ 6 ] 和 Ellis 等人的说法，植物根部表示为圆柱形电容器。[ 13 ]。在电容C的方程中，ε和A分别是根组织的介电常数和表面积，r 1是木质部半径，r 2是根皮半径。b根据 Dietrich 等人的说法，根系统的电等效网络。[ 9 ] 和 Ehosioke 等人。[ 1 ]。c使用软件控制的 LCR 计和非对称循环仪在精细时间尺度上进行根介电测量的方案，如本研究中所用

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后来迪特里希等人。[ 9 ]质疑电容法的效率并制定了替代模型（图 1b）。他们发现根对 C R 的贡献可以忽略不计，其主要由基质表面和植物电极之间的茎部分决定，与茎横截面积成比例。在 C R和 RSS 性状之间观察到的线性相关性仅归因于根-冠异速生长。其他研究表明根颈和近端根段存在明显的电流泄漏 [ 10 , 11 ]。相反，有实验证据表明，大部分根系可能是电连接的，并且 C R主要取决于浸入生长介质中的根部[ 12 , 13 ]。这与之前的研究结果一致，即 C R由根系决定，受茎基部影响但不占主导地位[ 14 ]。此外，经证实，AC可以深入根系，特别是当周围的表层土壤相对干燥且导电性低于根部时[ 15 , 16 ]。

人们普遍认为根的组织学特性，包括含水量、组织密度和木质化，调节质外体与共质体电流通路的比例，并相应地改变阻抗响应[ 6,11,13 ]。这意味着介电方法的一个优点：C R的大小取决于宏观尺度RSS 和生理状态，它们共同表征了整个根系的吸收强度。在根老化期间和在胁迫下，加速衰老以及与木栓质沉积增强相关的外胚层和内胚层成熟，以及根腐烂导致根ε r降低，从而导致 C R降低测量值[ 13 ]。此外，应力引起的根膜物理化学变化，包括表面电荷密度改变、结构完整性受损和渗透性增强，可能会通过增加根介电损耗 D R 来增加整个根系的电导率 ( G R ) [ 17、18、19 ]。对芽的各种非生物和生物影响（例如过度光照、极端温度、伤害、触摸、压力、昆虫攻击、病原体损伤）也会诱发电信号，导致整个植物水平的适应性生理变化[ 20,21 ]]。应激信号的产生和传播，包括作用、变化和系统电位，与膜离子通道和H + -ATP酶活性的变化相关，导致离子通量和膜电位的改变[ 22 , 23 ]。尽管没有证据，但长距离电信号可以传输到植物的完整部分，可能与根部阻抗响应相互作用。

当交流电通过离子通量（电子电导率可忽略不计）在根-基质连续体中流动时，主要通过吸水区，并在较低程度上通过不渗透的、浸没的表面，G R与根水导率 L 相关。R [ 8 , 24 ]。由于上述原因，完整的根-基质系统的介电特性（测量 C R、D R和 G R变量）可能有利于获得有关根延伸、生理状态和应激相关变化的信息[ 2 , 25 ]。

一方面，之前的一些研究强调了监测阻抗响应在植物整个生长周期（个体发育）中跟踪根部生长和功能的潜力[ 6,12,26,27 ]。这些工作基于每 3-7 天对同一盆栽植物重复进行一次电气测量，或者每 10-21 天对田间植物群体进行一次电气测量。另一方面，Weigand 和 Kemna [ 24 ] 使用电阻抗光谱 (EIS) 观察到水培中油籽植物根部表观电导率和光谱偏振特征的明显昼夜模式。有据可查，根系的 L R表现出明显的昼夜变化和溶质吸收活性，与光/暗和温度循环以及应激引起的芽功能变化有关，例如气孔导度（gs ）、光合作用和蒸腾速率[ 28 ]。根部水力特性的波动也与根细胞膜中水通道蛋白通道的密度和水渗透性的昼夜节律调节一致[ 29 ]。

然而，迄今为止，尚未进行任何研究来测试单频、两端（一个接地电极和一个植物电极）测量完整根基质中介电变量（C R、 D R和 G R ）的可用性系统处于高位，即。分钟尺度的时间分辨率。根据以前的经验，假设在生长室研究的框架中，这种新方法能够：（i）动态测量根部吸水活动，包括昼夜变化；( ii )检查改变的温度状态和异常光周期对与改变的全植物蒸腾作用相关的根介电响应的影响(基于测量gs )，并且在某些情况下，导致光合作用器官的退化；( iii )检测与渐进式叶子切除或植物斩首引起的总蒸腾量减少和根腐烂相关的根吸收率的变化。从方法论的角度来看，目前的观察结果有望加强根生理学和介电特性之间的联系，从而验证测量作为实际根吸收率的诊断工具。因此，希望提供一种智能的非破坏性技术来捕获根功能对环境条件变化的快速响应。

材料和方法
植物材料与栽培
对 C4 玉米（ Zea mays L.，cv. Mv Tarján）、C3 黄瓜（Cucumis sativus L.，cv. Perez-F1；无限生长）和豌豆（Pisum sativum L.，cv. Rhine dwarf ）进行了两次盆栽试验。）。将植物种植在 2.9 升塑料盆中，盆中装有 1800 克 0-5 毫米流纹岩（Colas Co. Ltd.，Tarcal，匈牙利）和蛭石（Pull BV，Rhenen，荷兰）的 1:1.5 v/v 混合物。 。底物的pH H2O为7.86，阳离子交换容量为7.88 mmol 100 g –1，堆积密度为0.63 g cm –3和0.33 cm 3  cm –3田间持水量。它的应用主要消除了复杂田间土壤或有机基质的电容行为对根部电响应产生的混杂影响。

将种子在22℃的湿纸巾上发芽3天，然后每盆种植一株，深度为2厘米。植物在 25/17 °C 的生长室中培养，光照/黑暗周期为 16/8 小时（光照从上午 0:00 到下午 4:00），约 600 µmol m –2  s –1PAR 和 50–70% 相对湿度。每天对基质浇水至田间持水量的 80%（仅从第三周开始对盆进行浇水），并每周用 150 mL 的 Hoagland 溶液施肥两次。由于仪器每次只能测量一株植物，因此每周种植单一物种的单一样本并生长30天，这是电学测量的最佳年龄。此时物候期为玉米6叶期、黄瓜初花期（14～15叶）、豌豆伸茎期（8～9叶）。通过这种方式，确保每周都有 30 天的植物可用于 7 天的电气测量程序。

电气测量
第一步，组装了一个专门的测量系统（图 1C）。选择手持式 GW-Instek LCR 916 仪表（台湾 GoodWill Co. Ltd）是因为它适用于实时监测生长室内的介电变量。通过并联 RC 电路建模的阻抗响应是在 1 kHz 交流频率和 1 V 端子电压下测量的。接地电极是一根不锈钢棒，长 15 厘米，内径 6 毫米（303S31；RS Pro GmbH.，格明德，奥地利），垂直插入基底，深度为 12 厘米，距茎基部 5 厘米。通过使茎部弯曲的 4 毫米宽、25 微米厚的氧化铝带将植物电极夹在基材表面上方 1 厘米处。尽管使用便携式 LCR 916 设备无法排除电极极化、电缆电感和杂散电容，但之前的研究 [ 12 , 13] 令人信服地证明，这些系统误差可以忽略不计，并且不会影响 1 kHz 范围内的设备介电响应。对于玉米，将衰老的叶子 1 和 2 去除以确保良好的电接触。将 CRM-2H 非对称循环仪（ETI dd，Izlake，斯洛文尼亚）设置为 0.5/5.5 分钟脉冲/暂停间隔，安装在 LCR 端子和接地电极之间。考虑到 LCR 仪表在运行期间不断产生交流信号，循环仪可以保护样品植物免受长期电刺激。然而，由于膜上形成的电流密度非常小，植物生命功能不太可能恶化[ 19 ]。LCR 仪器连接到运行 LCR900 v.1.201 数据记录软件的笔记本电脑。

在开始电学测量前 24 小时，将罐放置在盛有水的托盘中，深度稳定为 6 毫米，以调节基质含水量 (SWC) 并在整个测量期间保持恒定。大块基材（0–12 cm；接地电极层）中的水含量为 0.26 ± 0.01 cm 3  cm –3，每天使用连接到 CS659 探头（Campbell Inc., Logan）的 HS2 TDR 计进行检查，犹他州，美国）。然而，该程序允许基材表面在 0–1 cm 处干燥至 0.12 ± 0.01 cm 3  cm –3（用 MO750 测量仪检查；Extech Co. Ltd., Nashua, NH, USA）以最大限度地减少交流泄漏 [ 16]。每次电测量在 16 小时光照周期的中间（上午 8:00）开始和结束，持续 144 小时。每小时收集10 个 CR和 G R数据，将每个读数与循环仪的脉冲间隔同步。由于在收集的数据中观察到一些波动，可能是由于生长室中的温度和通风条件的变化，所以对五个连续数据点（覆盖 30 分钟的时间段）进行平均。 根据并行 RC 模型，从每个数据对计算AG R值 (= C R  × D R × ω)。

日变化（“DC”）实验
依次培养这三个物种中的每一个的七株植物以进行电测量。第一批植物（“DC-0”）作为对照，在正常条件下进行测量，即。25/17°C 和 16/8 小时光/暗循环六天（图 2）。以下植物暴露于： 32-88 小时内恒定 21 °C 温度，正常光周期（“DC-1”）；0-144 小时之间恒定 21 °C，光周期正常（“DC-2”）；32-88 小时之间持续黑暗，处于正常温度状态（“DC-3”）；0-144 小时之间持续黑暗，处于正常温度状态（“DC-4”）；恒定 21 °C，并在 32-88 小时之间保持黑暗（“DC-5”）；恒定 21 °C，并在 0–144 小时之间保持黑暗（“DC-6”）。

图2
图2
日变化（“DC”）实验中介电测量期间的主要温度和光照条件。灰色条代表黑暗时期。请参阅治疗代码文本（括号中以粗体书写）

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为了避免在电监测期间干扰（例如触摸）植物或改变室条件，每个物种生长三个额外的重复30天以进行芽生理研究。通过使用校准的 SC-1 稳态扩散孔径计（Decagon Devices Inc.，普尔曼，华盛顿州，美国）测量 g s来表征蒸腾速率。测量是在玉米的 3-6 片叶子（从最老到最年轻的编号）、黄瓜的 4、6、8、10、12 和 14 片叶子以及豌豆的 3-8 片叶子上进行的，位于背面的中部（下部） ）叶子的侧面，避开边缘和主脉。首先，中光（大约上午 8 点）和中光（大约晚上 8 点）的 g s值分别在 25°C 和 17°C 下进行评估，然后第二天在 21°C 下重复测量。

还测定了在处理期之前和结束时经历6天黑暗（“DC-4”和“DC-6”）的植物的气孔导度。在这些植物中，还通过使用两个敏感的胁迫指标评估了长黑暗期对光合器官的影响，例如叶绿素浓度指数（CCI）和PSII光化学的最大量子产率，量化为叶绿素荧光参数F v /F米[ 30 ]。使用 CCM-200 +手持式仪器（Opti-Sciences Inc.，Hudson，NH，USA）在用于气孔研究的同一叶片的近轴（上）侧对处理前后的 CCI 进行非破坏性评估。对每片叶子的三个 CCI 读数进行平均。F还使用 OS-30p +荧光计（Opti-Sciences Inc.）在处理之前和之后测定了这些叶子的v /F m 。首先使用黑色塑料夹（内径 9 mm）将叶片暗适应 20 分钟，然后暴露于 6000 µmol m –2  s –1的 1.0 s 饱和辐射脉冲以获得 F v /F m值。

叶切除（“LE”）实验
依次培养三个物种中的每一个的六株植物，然后在正常条件下（25/17°C和16/8小时光照/黑暗）进行电测量。第一批植物（“LE-0”）是未经处理的对照。接下来的四个（“LE-1”、“LE-2”、“LE-3”和“LE-4”）进行了叶子切除，从后续的叶子中去除了逐渐增加的总叶面积（TLA）比例。用剪刀剪植物（见表 2了解详情）。最后的植物（“LE-5”）通过在植物电极上方 1 厘米处切割茎来斩首。处理总是在记录第一个电数据（0.5 小时）后立即进行。切割后立即用 LI-3000 仪器（LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）扫描切下的叶子的面积来确定。电监测结束时切下剩余叶片并进行测量，并计算切下叶面积的比率（rELA）。

表 2 叶子切除 (“LE”) 实验的规格。叶子按照从最老到最年轻的顺序编号
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数据分析
基于局部估计散点图平滑（LOESS）的STL季节趋势分解过程用于从C R、D R和G R时间序列中提取加性季节部分[ 31 ]。计算季节性百分比 (PCT)，即季节性方差与总方差的比率。为了清楚起见，使用术语“季节性”而不是“周期”来描述 24 小时波动，因为当数据表现出不固定周期的上升和下降时使用“周期”一词。谱分解的周期图方法应用于时间序列分析[ 32]。如果数据包含强周期性分量，则与这些频率对应的周期图值将会很大。统计指数“s24”的构建是为了具体化这一概念：它是通过将 24 小时期间的谱密度值除以所有其他值的总和而获得的分数。如果 s24 < 2，则拒绝 24 小时季节性；如果 s24 ≥ 2，则接受 24 小时季节性。需要注意的是，季节性趋势分解提取季节性部分，无论是否存在季节性。STL 图的缩放比例也具有误导性，总是留下季节性曲线的相同部分。这就是为什么季节性决策仅基于 s24 指数。

为了测试单调性，必须忽略时间序列的短期波动。当接受季节性时，检查趋势成分的单调性就足够了。当拒绝季节性时，进行一系列高达24小时带宽的非线性核平滑，并且只有在平滑后获得单调曲线时才接受单调性。本例中报告了R 2值，但仅作为补充信息。这些模型本质上是非线性的，因此不应原样采用 OLS 回归的R 2概念 [ 33]。对于“LE”实验，在 288 个时间点的每个时间点对时间序列的顺序进行计数，并列出了三个最频繁顺序的计数。为了消除植物尺寸效应，将每个时间点的 C R、 D R和 G R值除以相应的初始值（t = 0.5 h），得到相对的 C R、 D R和 G R值（作为%) 用于此分析。使用R 4.0.5的“stl”函数[ 34 ]、“descomponer”包的“periodogram”函数、“np”包的“npregbw”函数和Microsoft Excel进行统计。

进行双向比较评估，以显示光照和温度对根电特性的影响。治疗的第一个分类旨在研究“干扰”的影响（即因子的周期在 32-88 小时之间被常数取代，并在其他地方保持不变）如下：光/暗和温度循环均正常（ DC-0); 光/暗循环正常，但温度循环受到干扰（DC-1）；光/暗循环受到干扰，但温度循环正常（DC-3）；光/暗循环和温度循环都受到干扰（DC-5）。第二个分类致力于研究“去除”（即将因子的循环替换为0-144小时之间的常数）的效果，如下：光/暗和温度循环均正常（DC-0）；光/暗循环正常，但温度循环被移除（DC-2）；光/暗循环被移除，但温度循环正常（DC-4）；光/暗循环和温度循环均被删除（DC-6）。应该指出的是，我们的实验设计不允许以通常的方式估计因素的主效应或相互作用效应。例如。双因素方差分析。

采用Tukey事后检验进行重复测量方差分析，研究不同温度和光照条件对不同叶片g s的影响。使用配对 t 检验分析6 天黑暗暴露对 CCI、F v /F m和 g s的影响。使用线性回归将 g s与 C R和 G R相关联。

结果
日变化（“DC”）实验
在 25/17 °C 温度条件下，对照植物 (DC-0) 的C R值分别在光照和黑暗期开始后急剧增加和减少（图 3a），而准21/21 °C（DC-1 和 DC-2）观察到振幅较小的正弦日波动。与对照相比，在长时间黑暗条件下（DC-3 和 DC-4），交变温度引起的 C R快速变化较少。时间序列在恒定 21 °C 和黑暗中（DC-5 和 DC-6）进行平滑。

图3
图3
日变化（“DC”）实验中玉米、黄瓜和豌豆的a根电容 (C R )、b耗散因子 (D R ) 和c电导 (G R )的时间序列。治疗代码见正文

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C R、DR和G R数据系列的统计结果总结在表 3中，并以 图形形式提供每个植物的补充材料（附加文件1、2、3和4 ）。在许多情况下， CR时间序列存在明显的 24 小时季节性（s24：2.12-9.19），但 DC-4 玉米（s24：1.88）和所有在 21 °C 恒定条件下暴露于长时间黑暗的植物除外（ DC-5 和 DC-6；s24：0.03–1.17）。DC-0 植物（25/17 °C）的 PCT 范围为 14.8% 至 17.7%，但 DC-2 处理（21/21 °C）仅达到 0.9% 至 5.5%。C R显示的趋势数据系列通常会增加，但对于暴露于 6 天黑暗的植物（DC-4 和 DC-6）而言，数据系列会减少。

表3 3种植物根部电容(C R )、耗散因子(D R )和电导(G R )在日变化(“DC”)和叶片切除(“LE”)下的时间序列统计结果）实验。治疗代码见正文
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D R系列不存在显着的 24 小时季节性（s24：0.01–0.81；图 3 b）。对于包括对照在内的几种植物，其表现出增加趋势，但当应用 6 天黑暗处理（DC-4 和 DC-6）时，其表现出下降趋势。

由于D R值相对稳定，GR 的时间模式在季节性和趋势方面与C R的时间模式明显相似（图 3 c）。不变的温度加上黑暗处理（DC-5 和 DC-6）消除了 G R数据系列的季节性。由于 C R和 D R分量随时间的推移而减少，因此在黑暗中放置 6 天的植物（DC-4 和 DC-6）表现出G R的强烈下降趋势。双向比较评估表明“干扰”和“去除”对C R和G R的影响仅当它们同时应用于照明和温度时才可察觉。

事实证明，在较低温度和黑暗条件下，在不同叶片上测量的g s值较小（图 4a）。重复测量方差分析表明，温度和光照 对 g s有显着影响 ( p < 0.01)，但豌豆在 17 °C 与 21 °C 时的中暗 g s值不同 ( p  > 0.05)。每个物种在 6 天黑暗（DC-4 和 DC-6）后观察到严重的叶子失绿和枯萎。这种处理显着降低了每片叶子的 CCI、F v /F m和 g s （图4 b）。配对 t 检验表明所有生理参数和物种均存在显着的暗效应（ 大多数情况下p < 0.001）。玉米和黄瓜老叶中的F v /F m和 g s急剧下降，这些老叶几乎已经死亡。C R和 g s之间（R 2：0.665–0.804；p  < 0.05；n = 6）以及 G R和 g s之间（R 2：0.698–0.774；p  < 0.05；n = 6）之间发现显着的线性相关性。对于经过长时间黑暗处理的植物（附加文件5）。请注意，从 6 个数据对计算出的相关性仅具有指示性，通过评估进一步的重复测量可以提供更可靠的统计数据。

图4
图4
a在不同气温下对玉米、黄瓜和豌豆植物 (n = 3) 的不同叶片测量的中光和中光气孔导度 (gs ) 。叶子按照从最老到最年轻的顺序编号。b玉米、黄瓜和豌豆植株各叶片在 6 天黑暗期前后测量的叶绿素浓度指数 (CCI)、叶绿素荧光参数 (F v /F m ) 和气孔导度 (gs )的昼夜变化 ( “DC”）实验。治疗代码见正文

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叶切除（“LE”）实验
周期图方法揭示了对照植物和切除植物（从LE-0到LE-5）的CR时间序列中存在显着的24小时季节性，s24在2.07和7.08之间（ 图5a ）。严重落叶后季节性程度趋于减弱，并在植物断头后停止（s24：0.11-0.28）。在测量的最初几个小时内，叶子切除最大程度地降低了 C R，但在剩下的时间里继续产生负面影响。因此， CR的增加趋势变得非单调。由于渐进式叶子切除后， CR数据系列中的增加趋势早于季节性消失，PCT 在 12.5% 至 67.4% 的范围内变化。CR _断头后立即迅速下降，此后继续适度下降。然而，就玉米而言，CR略有增加，直到大约 t = 96 小时，然后再次开始下降。在 288 个时间点的大部分时间点中观察到与 rELA 增加和断头相关的相对 CR 值的降序（有关详细信息，请参阅附加文件4 ）。

图5
图5
玉米、黄瓜和豌豆在叶子切除（“LE”）实验中的a根电容（C R）、b耗散因子（D R）和（c）电导（G R ）的时间序列。治疗代码见正文

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在DR测量系列中没有发现季节性（s24：0.01-1.99），但是一些植物（例如LE-2豌豆）在光照时间内 表现出DR的小局部最大值（图5b）。总体而言，数据系列的趋势是增加的，但对于某些豌豆植物来说是非单调的。此外，从测量的第二天或第三天开始，观察到断头（LE-5）植物的 D R急剧增加。叶片切除的程度不影响相对D R的顺序。

除LE-4豌豆植物（s24：1.89）和断头植物（s24：0.11-0.37；图 5 ）外，切叶植物的GR表现出显着的24小时季节性（ s24：2.29-8.22）。 C）。正如对 C R所观察到的，在渐进式叶子切除后， GR系列的增加趋势变得非单调。在断头（LE-5）植物中，由于 D R显着上升， GR在测量周期的后半段（或玉米更早）增加，最终超过了严重切除植物（尤其是豌豆）的值。相关 G R数据的阶次分析证实了这一发现。

电容、电导和蒸腾损失之间的关系
测量系列显示，在叶子切除和断头后，C R和G R突然减少，并且减少的速率似乎与叶面积损失的程度成正比（图 6a，7a）。通过扣除在 t = 第一个光照周期结束时获得的相对 C R 和 G R (% ) ，计算每个切除植物（从 LE-0 到 LE-5）的 ΔC R和ΔG R (%) 值8 小时（排除暗效应）从初始 100% C R和 G R， 分别。还计算了这些植物的蒸腾损失ΔT(%)，其等于rELA并且对于断头植物为100%(表 2 )。通过每个物种的回归分析来评估ΔC R或ΔG R与ΔT之间的关系。DC-0和DC-2工厂也被纳入调查范围。对于这些植物，ΔC R和ΔG R分别是中光和中暗 C R和 G R的 6 天平均值之间的百分比差异（图 3 a，c），ΔT 是中光和中暗 C R 和 G R 的 6 天平均值之间的差异。中光和中暗 g s值（DC-0 为 25/17 °C，DC-2 为 21/21 °C），通过对各个叶子测量的值进行平均而获得（图 4a）。

图6
图6
a在叶子切除（“LE”）实验中，玉米、黄瓜和豌豆在前八个测量小时内相对根部电容（C R ）的变化。相对 C R是测量的 C R与相应初始值（t = 0.5 h）的比率。b三个物种的电容损失 (ΔC R ) 和蒸腾损失 (ΔT)之间的线性关系。回归在 p < 0.01 水平上显着。详情请参阅文本

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图7
图7
a在叶子切除（“LE”）实验中，玉米、黄瓜和豌豆在前八个测量小时内相对根部电导（G R ）的变化。相对 G R是测量的 G R与相应初始值（t = 0.5 h）的比率。b三个物种的电导损失 (ΔG R ) 和蒸腾损失 (ΔT) 之间的线性关系。回归在 p < 0.01 水平上显着。详情请参阅文本

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在 ΔC R和 ΔT 之间（R 2：0.851–0.942；p  < 0.01；n = 7）以及 ΔGR 和 ΔT 之间（ R 2：0.869–0.984；p  < 0.01；n = 7）之间发现了很强的线性相关性。当回归线被迫通过原点时的物种（图 6b，7b）。F 检验表明，豌豆的 ΔC R– ΔT 回归线的斜率 与其他两个物种的斜率略有显着差异( p = 0.08)，而相同的比较 对于 ΔG 来说具有高度显着性 ( p < 0.01) R –ΔT 回归线。

讨论
根介电特性的趋势和光/暗变化
在“DC”实验中，C R和G R时间序列的增加趋势表明在测量期间发育中的植物的活性（可极化）根表面积增加。玉米的变化率最高，此时它表现出密集的营养生长。C R和 G R的季节性模式与所应用的光/暗和温度条件相关。应该指出的是，首先，由于ε r * [ 7 ] 的降低，薄膜电容器的电容随着温度升高而略有下降，其次，尽管植物中的电传导与电解质运动有关 [ 8]]，因此随着温度的增加而增加，G R的 24 小时季节性在恒定的光/暗温度下也很显着。因此，本研究中观察到的介电响应的季节变化不能仅仅用一般的物理规则来解释，而只能用整体根吸收活动的时间模式来解释。

由于植物吸收的水分只有1%~2%参与代谢过程[ 35 ]，冠层实际蒸腾量与整个根区的水分提取和电导密切相关[ 36 ]。水在根圆柱体中流动通过空间分布和时间变化的复合体，即。根据物理定律和内在或响应性调节机制，质外体和细胞间（包括共质和跨膜）途径[ 37 ]。植物器官内水输送的昼夜循环是由内源性昼夜节律振荡器控制的，该振荡器驱动有节律的基因表达，导致根膜渗透性的系统变化（进而导致 L R）、光合速率、叶绿素荧光和气孔（叶水力）导度 [ 28 , 38 ]。此外，昼夜模式会受到主要环境条件的强烈影响，例如辐射（光合作用的主要驱动力）、气温、湿度和通风。

与表现出准正弦昼夜模式的自然生长植物不同[ 39 ]，该实验中的植物在 25/17 °C 温度处理中表现出 C R和 G R的快速光/暗变化。这可能是由于生长室中完全照明和完全黑暗之间的瞬时转变以及温度条件的短暂转变（从 25°C 到 17°C 仅需要 20-22 分钟和 30-35 分钟，反之亦然）。当光/暗温度在32-88和0-144小时之间保持恒定在21°C时，C R和G R的突然变化被消除，导致这些时期的波浪曲线。在正常（16/8 小时）光周期下，CR和G的 PCT 值R数据系列在 25/17 °C (8.5–17.7) 时明显高于 21/21 °C (0.5–5.5)。相应地，光照/25°C 和黑暗/17°C 冠层蒸腾之间的差异（基于 gs测量）远高于光照/21°C 和黑暗/21°C 的情况。C R和 G R的波动在 21 °C 的持续黑暗条件下停止，消除了时间序列的季节性。尽管通过基于水通道蛋白的共质溶质（以及AC）途径的调节，水运输的昼夜节律在连续黑暗下维持了数天[ 39 ]，但两端介电测量似乎无法揭示循环在没有交替的外部条件的情况下。

长期黑暗的影响
在本研究中，6 天黑暗期的强烈不利影响是明显的，表现为叶子褪绿、枯萎或干燥，以及 CCI、F v /F m和 g s值的急剧降低。光照不足的典型后果包括叶绿素降解、光合效率受损、气孔关闭以及随后的碳饥饿，导致芽和根生长减少[ 40 , 41 ]。根部发育受阻导致较老、较木栓化的根部区域与负责吸水的较年轻根部的比例较高，从而减少了综合吸收表面积和生理活性[ 42]。老化根中质外体屏障的沉积降低了对水和交流电的径向电导[ 37 ]。随着时间的推移， CR和 G R的下降清楚地表明了这些影响。应激诱导的气孔关闭（在本例中 g s显着减少）也可能导致根系活性下降[ 43 ]，正如 C R和 g s之间以及之间的显着线性回归所证实的那样。 G R和 g s。

在 6 天的黑暗时期，温度交替导致了 C R和 G R数据系列的季节性，这可能是由于全植物蒸腾作用和吸水率的波动造成的。周期幅度小于正常光周期下的周期幅度，并且随着持续的暗诱导衰老而进一步降低，因此在某些情况下在统计上被拒绝（s24：1.72-2.60）。这些发现与之前的报告一致，显示资源剥夺降低了 L R的周期性[ 29 ]。然而，暴露于 6 天黑暗的植物的D R下降趋势似乎与之前的研究相矛盾，之前的研究检测到对胁迫的反应增强了 D R [ 17，18 ]，正如这里对于断头植物也观察到的那样。一个假设的原因是，黑暗诱导的气孔关闭和叶子衰老限制了质外体水的运动，主要由蒸腾拉力驱动，而不是细胞间的运输，后者主要取决于渗透（离子泵）力产生的根部压力[ 44 ]。跨膜（电容性更强）相对于质外体（电阻性更强）途径的优势增强可能会导致更高的电荷存储（极化）效率，这反映在传导能量损失（DR）的减少上。

叶切除和断头
通过“LE”实验进一步验证了C R和G R与根系瞬时吸收活性的关系。根据测量系列的阶次分析确定，落叶水平的增加导致每个物种的 C R和 G R逐渐下降。可能的原因是叶子去除减少了总蒸腾表面积，进而减少了整个植物的吸水率。C R和 G R的季节性减弱（s24）时间序列随着 rELA 的增加被认为是由于去除了光合最活跃的幼叶所致。与暗诱导的叶片衰老的影响类似，严重的落叶水平也会导致光同化物的供应和重新分配有限，从而导致根系生长受到限制[ 45 , 46 ]。这就是为什么CR和GR测量系列的增加趋势变得非单调甚至减少的原因。值得注意的是，切叶后，C R和 G R均迅速下降，并且在第一个光照周期的剩余部分（0-8 h），C R和 G R相对于初始值的变化（ΔC R和ΔG R）与冠层蒸腾量下降百分比（ΔT，包括rELA）线性相关。这是由于蒸腾叶表面积减少以及根部吸水量和电导率相应降低[ 44 ]。在切断芽后，从土壤吸收水分并输送到木质部（根压力）可能会持续许多小时[ 39 ]，正如每个物种断头后渗出的树桩表面所显示的那样。由于没有蒸腾作用，木质部张力消失后几分钟内L R可能会发生显着变化 [ 37]。研究还表明，在胁迫的 2-6 小时内，芽的切除会导致根代谢和运输过程发生实质性变化 [ 47 ]，从而潜在地影响介电响应。此外，枝条损伤，即切叶，特别是断头，可以直接诱导超极化和去极化电信号，这可能会在治疗后一小时内混淆根部阻抗[ 21 ]。

植物断头后几天， D R开始急剧增加，表明膜解体和水扩散增强（更高的传导能量损失），与活性氧（ROS）积累导致的水通道蛋白活性增加有关[48 ]。据报道，严重的枝条损伤还会通过信号诱导过量的 ROS 产生来引发程序性细胞死亡 [ 20 ]。这种源自根组织修饰的复数阻抗响应的变化通常在遭受镉、碱度、干旱或缺氧胁迫的植物中得到证实[ 18、25、49、50、51 ]]。根皮层的结构变化，包括活细胞体积的减少和细胞壁密度的增加，以及质外体电流的增强，被怀疑是导致衰老玉米根部Φ变小（ DR更高）的原因 [ 52 ]。由于可溶性碳水化合物储备的迅速耗尽，在三叶草、玉米和番茄芽切除后的 4-5 天内观察到大量根系死亡[ 53 ]。在本例中，随着时间的推移， CR逐渐降低，清楚地表明根部腐烂。通过恶化的膜结构增加的水通量引起了 C R的短暂增加，随后由于植物的持续衰老而进一步减少。有趣的是，直到测量断头玉米的第四天，C R才增加，同时观察到快速重新发芽，但新的茎尖在介电监测结束时已经死亡。据报道，耐受严重落叶的单子叶植物表现出增加的根代谢活性和储备再动员，以满足再生芽的资源需求[ 45 ]。

方法论的影响
上述两个实验的结果与Dalton的[ 6 ]模型基本一致，表明基质中的根在电路中表现为有损电容器，并且C R和G R是根生理活性的有效指标。然而，需要进一步的研究来阐明改变电容器板（吸收区）面积（A）和改变介电常数（εr ）在昼夜波动中的作用。在正常和修改的温度和光照条件下测量的植物介电变量的光/暗变化，以及 C R和 G R的减少落叶后强烈表明阻抗分量与整个根系的瞬时吸水率之间存在直接联系。在暗处理情况下， C R或 G R与 g s之间的良好相关性（R 2从 0.665 到 0.804）以及 ΔC R或 ΔG R与 ΔT之间发现的显着线性关系进一步支持了这一发现（ R 2从 0.851 到 0.984），当所有切叶植物和一些完整植物（DC-0 和 DC-2）都包含在数据分析中时。确实，ΔT 只是基于测量 g s的估计值，没有考虑单个叶子的不同表面积、茎蒸腾作用以及第一个光照期结束后潜在的进一步蒸腾损失。然而，目前的结果证实，产生的介电性能取决于根系统的延伸和功能。建立的回归表明实际吸水活性对检测到的 C R和 G R值有 20-25% 的贡献。然而，F 检验结果表明物种对回归斜率的影响。尽管C3和C4植物在形态解剖学和生理特征以及对非生物胁迫的响应方面表现出固有的差异[ 30 , 39 ]，但它们的介电特性似乎基本相似。

目前对介电响应的观察结果与之前的说法相矛盾，即基底表面以下的根在 C R中的作用可以忽略不计，而 C R 仅源于茎基极化[ 9 ]。然而，结果部分符合Dietrich等人[ 9 ]替代模型的假设，因为植物电极下方的芽组织充当串联电容器，并且由茎基部和表面根组成的子电路可以强烈影响总的电容。相比之下，之前有报道称，优选的电流路径是由根部的径向和纵向电导率以及周围基底的电阻共同决定的[ 15 , 16]]。我们的研究结果证实了这些研究，表明在相对干燥的基质表面条件下，AC 流至少部分分布在整个根系中，而根系又可以直接检测到。我们无法进一步评论 C R和 G R的昼夜模式和应激引起的变化在多大程度上是由于远端细根的吸收率改变造成的，因为它们对电路的贡献似乎是不确定的 [ 10 , 13]。然而，从衬底表面泄漏的大量电流以及茎基极化在所获得的动态变化的根介电响应中的主导地位是令人难以置信的。先前对盆栽玉米进行的根部切除实验表明，基质内的根系约占 C R大小的三分之二[ 14 ]。此外，当前的精细时间监测研究提供的证据表明，测量的介电响应不仅受到几何尺寸的影响，而且还受到根系瞬时吸收强度的影响。

结论和未来展望
在这项探索性研究中，测试了一种定制的创新测量系统，用于在实验室环境中以精细时间分辨率对完整的根-基质系统进行低频两端介电监测。阻抗响应的动态测量被证明是一种有效的诊断工具，可以跟踪根部综合吸收活性的变化，包括昼夜模式，以及跟踪温度和光/暗条件变化以及冠层蒸腾减少的影响由不同程度的落叶引起。由于这项新技术既不需要多频（光谱）仪器，也不需要多电极（断层扫描）布置，因此可以使用廉价的手持式 LCR 设备在生长室内完成。实时数据记录可以捕获和分析植物吸收活动的快速变化，而不会损坏植物结构或影响生命功能。与之前基于根部周围 SWC 模式来获取土壤水分的方法相比，可以通过测量根部介电特性来直接检测昼夜变化。结果表明，符合测量根的基本假设，原位检测的介电特性主要源于根组织极化，并受到实际生理活动的影响。然而，需要更多植物重复的验证性研究数据来支持目前的一些发现。电极类型和定位的标准化比较简单，但维持稳定且适当的 SWC 需要仔细规划。用于完整根的电学方法仍处于实验阶段，尚未充分了解其基本物理原理。将阻抗参数与全植物蒸腾作用以及根系吸水量和电导率直接联系起来是一项具有挑战性的任务，例如。在同一工厂中同时使用介电技术和植物室或液流方法。这可能为解决有关首选电通路和方法效率的科学争论打开大门，并为潜在的生物物理机制建立改进的概念模型。此外，这些结果可能有助于普遍接受用于评估根部生理状态和原位环境响应的介电方法。