论文标题：Coupling mechanisms of electrophysiology and photosynthesis mediated by ion dynamics in high-voltage electrostatic field-regulated tomato seedling growth

期刊：ENGINEERING Agriculture

作者：Ruijie XIE, Yanbo SONG, Xiaojing SHI, Liyan JIA, Zhenyu LIU

发表时间：22 Jan 2026

DOI：10.15302/J-FASE-2026668

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Aug 2026, Volume 13 Issue 4

·第1篇·

▎论文ID

Coupling mechanisms of electrophysiology and photosynthesis mediated by ion dynamics in high-voltage electrostatic field-regulated tomato seedling growth

高压静电场调控番茄幼苗生长中离子动力学介导的电生理与光合作用耦合机制

文章类型：Research Article

第一作者：谢瑞洁

通讯作者：刘振宇

Email: lzysyb@126.com

作者单位：1. 山西农业大学；2. 山西省旱地农业机械关键技术与装备重点实验室

Cite this article :

Ruijie XIE, Yanbo SONG, Xiaojing SHI, Liyan JIA, Zhenyu LIU. Coupling mechanisms of electrophysiology and photosynthesis mediated by ion dynamics in high-voltage electrostatic field-regulated tomato seedling growth. ENG. Agric., 2026, 13(4): 26668 DOI:10.15302/J-FASE-2026668

· 文 章 摘 要 ·

番茄是全球重要的经济作物，其生长发育受多种环境因素调控。高压静电场（HVEF）作为一种新兴的物理调控手段，近年来在植物生长调节领域备受关注。本研究系统考察了正高压静电场（+HVEF）和负高压静电场（−HVEF）对番茄幼苗表型特征、微观结构及力学特性的影响，并利用傅里叶变换红外光谱、电感耦合等离子体分析和电学表征技术，全面检测了植物组织中官能团分布及离子组成的变化。结果表明，+HVEF处理25天显著提升番茄幼苗的机械强度和光合性能，这些改善与极性官能团及镁离子分布的调控密切相关，进而优化了植物的电生理响应。电学测量进一步显示，+HVEF能够改变膜电位和离子通道活性，从而影响整体生理功能，同时增强膜超极化，刺激关键光合酶活性，并促进番茄幼苗的生物量积累。本研究通过多尺度分析，阐明了电场作用下植物电生理与光合作用之间的协同调控机制。上述发现为电场技术在农业中的应用提供了理论依据，并为等效电路模型与植物传感器的融合奠定了基础。

· 文 章 亮 点 ·

1. 正高压静电场（+HVEF）可显著促进番茄幼苗的生长发育。

2. 系统阐明了根、茎、叶中离子的分布规律。

3. +HVEF处理增强了番茄幼苗茎秆的机械强度。

4. +HVEF诱导的Mg²⁺转运有利于叶绿素合成及光合作用增强。

5. 电学与生理学分析的结合揭示了其电生理调控机制。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

全球人口增长与气候变化威胁粮食安全，亟需新型农业策略。当前依赖化肥和基因改造的方法存在可持续性问题，而低成本、环保的物理调控手段研究不足。高压静电场（HVEF）作为新兴方案，可通过细胞和分子层面调控植物生长，具有应用潜力。

HVEF依靠静电力影响生物体系，能改变膜电位、离子流和光合作用。已有研究显示其可促进种子萌发和延长番茄保鲜，但效果受场强、极性和时间影响，且植物对不同极性电信号的响应机制、双相调节及电生理交互仍不清楚，亟需系统研究。

离子动态分布和跨膜运输是植物代谢基础，外电场可驱动离子迁移，镁离子尤其关键，影响叶绿素合成和光合酶活性。然而，现有研究多限于宏观表型，对离子时空动态与光合功能的联系探讨不足。本研究旨在系统探究HVEF对番茄幼苗表型、组织、力学和电生理的影响，聚焦镁离子分布与转运，揭示电场调控光合的机制，为电场农业应用和传感器模型融合提供理论依据。

▎实验方案

本试验采用无土栽培方式培育番茄幼苗。播种前剔除破损种子，清水浸泡1～2 h，55 ℃温水搅拌5～10 min后浸种3～4 h，再用0.07%甲基硫菌灵消毒5～10 min，无菌水冲洗3～5次。播种于营养土盆（7 cm×5 cm×7.3 cm，260 mL）中，每盆打3孔（深约23 cm），每孔播2粒，覆土。每12盆置托盘，水位约1 cm。覆膜于28 ℃、40%湿度催芽5～8 h，之后于27 ℃（日，11 h光照）/17 ℃（夜，13 h黑暗）、40%湿度、光照1700 μmol·m^-2·s^-1下培养至出苗。出苗后选长势一致幼苗，分三组置于高压静电培养箱（图1）：−15 kV负高压（−HVEF）、无电场（CK）和+15 kV正高压（+HVEF）。±HVEF均全天连续处理，白天20～25 ℃、夜间12～15 ℃，输出电压15 kV，功率8 W。

图1 电场施加于番茄植株的示意图。

▎表型特征与介电特性

+HVEF组第6天出第一片真叶，−HVEF组第7天，CK组第9天。+HVEF持续促进各生长指标，15～35 d内叶片数、茎粗、叶面积、叶长显著增加；−HVEF在15～25 d内有促进叶片数增加，30 d后效应消失。图2显示+HVEF植株高度、叶片数和叶面积均优于CK和−HVEF。研究结果表明第25天+HVEF总生物量最高，叶片差异最显著。阻抗测量显示叶片阻抗在CK和+HVEF中稳步上升，−HVEF先升后降；根阻抗−HVEF先降后升，+HVEF持续下降至35 d后回升，CK于第5天达峰；茎阻抗−HVEF和CK先降后升，+HVEF持续下降。总体根、茎阻抗趋势为CK>−HVEF>+HVEF。膜电位随生长天数（5～35 d）呈超极化，+HVEF从−94.3 mV（叶肉）和−109 mV（保卫细胞）变至−105 mV和−125 mV，−HVEF超极化更强但后期可能过度，CK稳定于−90 mV左右。阻抗谱分析显示+HVEF相位角峰值向高频移动、弧半径最小、电导率最高。

图2 不同电场处理下番茄幼苗的（a）表型展示和（b）表型数据。

▎微观形态与离子组成

扫描电镜（图3）显示+HVEF显著增加气孔密度与开度，茎导管壁增厚，根毛密度和长度增加。能谱分析表明+HVEF下叶片K⁺均匀分布，Ca²⁺和Mg²⁺富集；茎中Ca²⁺增强细胞壁稳定性，K⁺和Mg²⁺有序分布；根中K⁺和Ca²⁺浓度高，Mg²⁺均匀。傅里叶变换红外光谱（图4(a)）检测到3415 cm^-1（−OH）、2929 cm^-1（C–H）、1636 cm^-1（C=O）、1430 cm^-1（O–CH₃）、1065 cm^-1（C–O–C）及500–600 cm^-1（金属–氧）等特征峰，对应纤维素、木质素、蛋白质及Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺等金属离子。ICP分析（图4(b)）表明+HVEF处理25 d后叶片Mg²⁺达9.98 mg·g^-1，为−HVEF（7.25）的1.38倍、CK（6.32）的1.58倍，证明+HVEF显著促进Mg²⁺向叶片转运。

图3 三种电场处理下番茄幼苗的扫描电镜图：(a,b,c) 叶，(d,e,f) 茎，(g,h,i) 根。

图4（a）番茄幼苗组织的傅里叶变换红外光谱；（b）番茄幼苗组织中的镁含量。

▎力学特性

应力–应变和压缩曲线显示+HVEF和−HVEF均提高茎的拉伸强度和弹性模量，但+HVEF最大拉伸应力和压缩承载能力更高。图5显微观察表明+HVEF组茎表皮和形成层细胞排列规整、体积增大、壁厚、横截面积增加；−HVEF组细胞大小不均、皮层损伤、壁疏松。+HVEF通过促进细胞壁增厚和组织有序排列显著增强茎秆机械支撑，−HVEF因持续处理致呼吸占优，后期力学性能改善有限。

图5 三种电场处理下番茄幼苗组织的显微结构：（a）叶，（b）茎。

▎光合性能

气孔形态显示+HVEF组气孔大而多、多开放，CK少而闭合，−HVEF居中。叶绿素含量+HVEF总叶绿素达14.0 mg·g^-1，显著最高。图6显示+HVEF气孔数量、导度、净光合速率最高，胞间CO₂最低，蒸腾速率最高但水分利用效率最低。净光合速率1～5 d较低，5～25 d随Mg²⁺和叶绿素增加上升，40 d后因衰老下降。Rubisco、FBA、SBPase、TK活性在+HVEF下均显著增强，表明+HVEF通过提高Mg²⁺、促进气孔开放和激活卡尔文循环酶协同提升光合效率。

图6 不同电场处理下番茄幼苗的（a）气孔数量、（b）气孔导度、（c）光合速率、（d）胞间CO₂浓度、（e）蒸腾速率和（f）水分利用效率。同一时间点相同字母表示处理间无显著差异（p > 0.05）。

· 结 论 ·

本研究系统探究了正高压静电场（+HVEF）对番茄植株表型特征、介电与介观特性、离子组成、力学性能及光合效率的调控效应。结果表明，+HVEF显著促进了番茄对关键养分（尤其是Mg²⁺）的吸收，进而提高了叶绿素含量并增强了光合活性。通过调节膜电位、离子通道活性及电荷传导，+HVEF促进了细胞扩展和镁离子转运，从而强化了组织力学性能并改善了光合表现。显微观察进一步证实了细胞壁的加固和组织的优化排列。综合电学表征揭示，+HVEF通过促进离子迁移和电信号传导，实现了电生理响应与光合作用之间的功能偶联。+HVEF诱导的膜超极化促进了离子转运和气孔调节，进而增强了光合关键酶活性，支撑了生物量的持续积累。上述发现为利用电场促进植物生长及推进HVEF在农业工程中的实际应用提供了重要的理论依据。