氣孔開閉機理的實驗探究

摘 要 氣孔是植物進行呼吸作用、光合作用及蒸騰作用等氣體代謝活動時氣體的通道。氣孔運動的無機離子吸收學(xué)說認為，氣孔的開閉同ATP酶—H+泵和離子的運輸有關(guān)。根據(jù)這一原理設(shè)計了一個適合高中生的探究氣孔開閉機理的拓展性實驗，意在促進學(xué)生對氣孔結(jié)構(gòu)和開閉機理的認識，從而更好地理解氣孔在植物光合作用、呼吸作用以及蒸騰作用等氣體交換過程中的作用。

關(guān)鍵詞 氣孔 保衛(wèi)細胞 開閉機理 探究

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)識碼 B

氣孔是高等陸生植物表皮所特有的結(jié)構(gòu)，是植物表皮上兩個保衛(wèi)細胞及其圍繞形成的空隙的總稱。氣孔在植物的呼吸作用、光合作用以及蒸騰作用等氣體代謝過程中作為空氣和水蒸氣的通道，通過保衛(wèi)細胞的開閉運動調(diào)節(jié)氣體的通過量，在生理上具有重要的意義。現(xiàn)階段我國各版本的高中生物學(xué)教材不具有專門介紹氣孔開閉機理的章節(jié)，但是教師在講解植物光合作用、呼吸作用以及蒸騰作用等原理及過程方面的內(nèi)容時都會涉及到氣體交換的知識。根據(jù)這一教材編制的現(xiàn)狀，作者設(shè)計了探究氣孔開閉機理的拓展性實驗，目的在于，學(xué)生通過這個簡單的實驗?zāi)軌驅(qū)饪椎慕Y(jié)構(gòu)及其開閉機理有個全面的認識，有助于學(xué)生更好的理解植物光合作用、呼吸作用以及蒸騰作用等過程中氣體的交換。

1 實驗原理

氣孔的開閉與保衛(wèi)細胞的水勢有關(guān)，保衛(wèi)細胞水勢下降吸水膨脹，氣孔張開；水勢上升失水縮小，氣孔關(guān)閉。氣孔運動的無機離子吸收學(xué)說認為，在光照條件下，保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上的H+—ATP酶被激活，水解ATP使H+分泌出保衛(wèi)細胞，形成跨膜H+電化學(xué)勢梯度，驅(qū)動K+從周圍細胞通過K+通道進入保衛(wèi)細胞，引起保衛(wèi)細胞水勢下降，吸水膨脹，氣孔開放。

2 實驗材料

2.1 植物

新鮮的蠶豆葉采摘后黑暗處理1 h開始實驗。

2.2 器材

鋁箔、100 mL燒杯、pH試劑、顯微鏡、載玻片和蓋玻片、吸管、刀片。

2.3 試劑

pH為7的KCl溶液（3.7 g/500 mL）、pH為4.5的KCl溶液（取pH為7的KCl溶液用HCl調(diào)節(jié)pH到4.5）、pH為7的NaCl溶液（0.58 g/100 mL）。

3 實驗步驟

3.1 設(shè)置實驗組

設(shè)計4個實驗組，如表1所示。

3.2 處理材料

將黑暗處理1 h后，同一植株上大小相似的健康葉片分別放置到盛有配置好的溶液的燒杯中，每組放置三片。將A、C、D三組放置到陽光下，將B組用鋁箔包裹燒杯外壁，將其放置于黑暗中。

3.3 制片觀察與記錄

處理完畢后用鑷子撕下蠶豆葉的下表皮，分別制作臨時裝片，每組制作三片。接著，利用顯微鏡觀察裝片，先在10倍鏡下選取視野，后放大到40倍鏡下統(tǒng)計氣孔的開閉狀況。每個裝片分別統(tǒng)計6個視野，記錄完全開放、半開放以及關(guān)閉的氣孔數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)處理

分別統(tǒng)計每組完全開放、半開放以及關(guān)閉的氣孔數(shù)的比例，制圖分析結(jié)果。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗結(jié)果

實驗觀察結(jié)果案例展示如圖2、圖3所示。

統(tǒng)計氣孔的開閉情況制作表格如表2所示。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 光照對氣孔開閉的影響

對比A與B組的實驗數(shù)據(jù)，從圖3中可以看出，經(jīng)光照處理的葉片，將近40%的氣孔都是完全開放，近24%關(guān)閉；而黑暗處理的葉片，只有2%左右的氣孔是完全開放的，近88%關(guān)閉，由此可得，光照能夠促進植物下表皮氣孔的開放。

4.2.2 H+對氣孔開閉的影響

從圖4中可以看出，關(guān)照條件下在pH為4.5的KCl溶液中處理過的葉片，只有近21%的氣孔是完全開放的，近37%的氣孔關(guān)閉。對比A組的實驗數(shù)據(jù)可知，酸性環(huán)境對氣孔的開放具有一定的抑制作用。

4.2.3 K+對氣孔開閉的影響

從圖5可以看出，經(jīng)NaCl溶液處理過的葉片，只有20%左右的氣孔是完全開放的，近55%的氣孔關(guān)閉。對比A組的實驗數(shù)據(jù)可知，在氣孔的開閉過程中，K+影響了保衛(wèi)細胞細胞膜的通透性，對氣孔的開放具有積極的作用。

5 實驗設(shè)計的反思與總結(jié)

實驗所用材料容易獲取，儀器設(shè)備簡單，操作難度適于高中生的認知能力水平；實驗結(jié)果容易觀察與統(tǒng)計，對照組之間對比明顯，實驗?zāi)康娜菀讓崿F(xiàn)；實驗結(jié)論對于學(xué)生具有一定的啟發(fā)意義，便于學(xué)生進行拓展思考施肥以及酸雨等外界因素對植物生理活動的影響；學(xué)生通過操作這個實驗不但能夠進一步的掌握植物氣孔的結(jié)構(gòu)和開閉機理方面的知識，而且還能訓(xùn)練徒手制作植物下表皮裝片、使用顯微鏡以及統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的技能，建立“設(shè)置對照組”、“單一變量”等探究性實驗設(shè)計的理念，促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1] M.Marques，J.Arraba？a，I.Chagas.The mechanism of guard cell movement[J]. Journal of Biological Education.2005，39（3）：131—135.

[2] 王永飛，方堃.介紹幾種觀察植物氣孔的實驗材料[J].生物學(xué)教學(xué)，2008，33（2）：41.