洋蔥滲透實驗是理解植物水分關係的基礎,現代定量分析結合滲透壓計、壓力探針、aquaporin 分子生物學。
水勢的精確定義
Ψ = Ψs + Ψp + Ψg。Ψs = -iCRT,溶質降低水勢。Ψp(膨壓):一般植物細胞 0.5-2 MPa。
Incipient plasmolysis 作為 Ψs 測量
在 incipient plasmolysis 時,Ψp = 0,所以胞內 Ψs = 胞外溶液 Ψs。由此可得細胞液的滲透勢。
壓力-容積曲線 (Pressure-Volume Curve)
用壓力室 (Scholander bomb) 測量:1/Ψ vs 相對含水量 (RWC)。從 linear 區外插得胞內 Ψs。斜率變化點 = turgor loss point (Ψp = 0),比 incipient plasmolysis 更準確。
Aquaporin (水通道蛋白)
Peter Agre (Nobel 2003) 發現 aquaporin:跨膜水通道,加速水滲透 10-100× 基礎通透。AQP1 在紅血球、腎臟,TIP/PIP 在植物。部分 aquaporin 也通透甘油、尿素 (aquaglyceroporin)。植物 PIP 受磷酸化調控,可快速開關以應對乾旱。
滲透調節 (Osmotic Adjustment)
植物在乾旱/鹽鹼下累積相容溶質 (compatible solute):脯胺酸 (proline)、甘胺酸甜菜鹼 (glycine betaine)、多醇類 (mannitol, sorbitol)。降低 Ψs → 維持 Ψ gradient 吸水,但合成代價高。
現代定量方法
Osmometer (凝固點下降法):測溶液滲透度 (mOsm/kg H₂O)。Pressure probe:直接插入細胞測 Ψp。FRET-based 滲透感測器:即時報告胞內滲透壓變化。
植物細胞的滲透極限
低張 → turgor pressure 上升,細胞壁阻止爆破 → 細胞擴大(生長)。高張 → plasmolysis,長期 → 細胞死亡。Halophytes 能耐受 -2 到 -5 MPa 的土壤水勢。
動物細胞無細胞壁:低張 → hemolysis (紅血球爆破);等張 → 0.9% NaCl 或 5% glucose;高張 → crenation (紅血球皺縮)。
