擬南芥在“綠葉在光下制造有機(jī)物”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李 洋 李建楠

(1 首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100048; 2 首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100048)

光合作用教學(xué)在初中生物學(xué)教學(xué)中扮演著重要的角色，初中人教版教材七年級(jí)上“綠葉在光下制造有機(jī)物”一節(jié)中探究光合作用的條件和產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系緊密，能夠培養(yǎng)初中生的科學(xué)研究能力，幫助形成物質(zhì)與能量的生命觀念，為高中光合作用教學(xué)打下良好基礎(chǔ)。按照多個(gè)版本教材中的建議，該實(shí)驗(yàn)選用天竺葵作為探究實(shí)驗(yàn)的材料，但是根據(jù)實(shí)際教學(xué)進(jìn)度安排，本節(jié)課授課時(shí)北方已經(jīng)是冬天，在溫度較低的情況下染色效果不理想，而在南方天竺葵又并非是一種常見的花卉，不易取材。因此，本實(shí)驗(yàn)嘗試采用擬南芥作為替代性材料探究“綠葉在光下制造有機(jī)物”實(shí)驗(yàn)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料

擬南芥(Arabidopsisthaliana)也稱為鼠耳芥，是科學(xué)研究中經(jīng)典常規(guī)的模式植物，具有“植物界果蠅”之稱，屬于十字花科擬南芥屬。因其植株小、生活周期短、生態(tài)類型豐富、分布廣、基因組小，容易進(jìn)行誘變和遺傳轉(zhuǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，擬南芥被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)、植物遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、功能基因組學(xué)等眾多研究領(lǐng)域[1]。

2 實(shí)施步驟和方法

2.1 擬南芥的栽培 本實(shí)驗(yàn)采用土培直播法進(jìn)行擬南芥的培育。首先，將滅菌后的營(yíng)養(yǎng)土與蛭石按1∶1比例混合，將混合均勻的培養(yǎng)土裝入培養(yǎng)盆中，并將培養(yǎng)盆放置在托盤上，一個(gè)托盤可放置1個(gè)或多個(gè)培養(yǎng)盆。播種前先在托盤內(nèi)加入適量清水，讓水從培養(yǎng)盆底部慢慢潤(rùn)濕土壤，待培養(yǎng)土表面潤(rùn)濕后再播種。用移液槍小心吸取經(jīng)過春化消毒后的種子，點(diǎn)播在培養(yǎng)土的表面，直徑10 cm左右的培養(yǎng)盆內(nèi)點(diǎn)播5～6點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)播2～3粒種子，播種后用保鮮膜覆蓋培養(yǎng)盆，并在保鮮膜上用大頭針或牙簽扎5～6個(gè)孔，播種后置于人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)[2]。培養(yǎng)條件設(shè)置為： 光照4 000 lx, 16 h，溫度25℃，空氣相對(duì)濕度75%；黑暗8 h，溫度22℃，空氣相對(duì)濕度75%。正常情況下，擬南芥2～3 d即可出苗，為了避免生長(zhǎng)過密，移除掉同一個(gè)點(diǎn)樣位置上多余的幼苗。擬南芥生長(zhǎng)3周后即可進(jìn)行淀粉染色實(shí)驗(yàn)(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)三周的擬南芥幼苗

2.2 暗處理與光照處理 用不透光的黑色蓋子將培養(yǎng)擬南芥的托盤遮蓋，暗處理24 h，目的是消耗掉擬南芥葉片中本身所含有的淀粉。暗處理后將黑色蓋子移除，從托盤中取出兩盆擬南芥進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別用標(biāo)簽紙標(biāo)記為光照組和遮光組，光照組放在光照培養(yǎng)箱中，條件設(shè)置為： 光照強(qiáng)度4 000 lx, 16 h，溫度25℃，空氣相對(duì)濕度75%，遮光組用不透光的黑色蓋子遮蓋后，同樣放入培養(yǎng)箱中在相同的條件下培養(yǎng)。

2.3 脫色及染色 16 h后，將兩組擬南芥從光照培養(yǎng)箱中取出，用鑷子小心夾取兩組中的擬南芥分別放入盛有無水乙醇的小燒杯中，并用標(biāo)簽紙進(jìn)行標(biāo)記。水浴鍋溫度設(shè)置為68℃，將小燒杯放入水浴鍋中脫色30 min，每隔10 min輕輕晃動(dòng)有利于加速葉綠素的溶解，待酒精由透明變?yōu)榫G色而擬南芥幼苗呈現(xiàn)白色時(shí)，用鑷子小心夾取脫色后的擬南芥放入培養(yǎng)皿中，注意此時(shí)一定要注意鑷子夾取的力度，擬南芥被無水乙醇浸泡后變脆，極易被鑷子損傷導(dǎo)致葉片脫落。用洗瓶小心沖洗脫色后的擬南芥2～3次，滴加3～5滴碘溶液染色3 min。染色后向培養(yǎng)皿中倒入蒸餾水漂洗掉多余的碘溶液，為了使顯色效果更加清晰分明，避免碘液的棕色對(duì)觀察效果的影響，可以讓擬南芥在清水中浸泡5 min左右。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)過染色后的擬南芥樣品如圖2所示。通過圖片可以發(fā)現(xiàn)： 遮光組中，擬南芥植株呈現(xiàn)白色，說明并沒有淀粉產(chǎn)生；而光照組中，擬南芥呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色，說明產(chǎn)生了淀粉。通過對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的對(duì)比可以說明擬南芥在光照條件下產(chǎn)生了有機(jī)物淀粉，由此證明光照是進(jìn)行光合作用產(chǎn)生淀粉的必要條件。

3.2 討論 應(yīng)用擬南芥探究“綠葉在光下制造有機(jī)物”的實(shí)驗(yàn)效果明顯，可重復(fù)性高，創(chuàng)新性地利用擬南芥這種模式植物作為替代性實(shí)驗(yàn)材料，與現(xiàn)行多個(gè)初中版本教材中均利用天竺葵作為實(shí)驗(yàn)材料相比，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖2 擬南芥染色后對(duì)比圖(左圖遮光組 右圖光照組)

(1) 擬南芥生長(zhǎng)周期短，且在實(shí)驗(yàn)室條件下容易培養(yǎng)，成活率高。避免了天竺葵在冬天溫度低的條件下生長(zhǎng)緩慢、葉片發(fā)黃、脫葉等弊端。

(2) 天竺葵葉片用碘酒染色并用清水脫色后，照光部分呈現(xiàn)藍(lán)紫色而遮光部分呈現(xiàn)紅棕色，碘的顏色較深，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察效果。通過圖片對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，擬南芥染色效果非常明顯，容易讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中觀察現(xiàn)象得出相應(yīng)的結(jié)論，且整個(gè)操作過程簡(jiǎn)單，重復(fù)性和成功率較高。

本文采用擬南芥替代天竺葵進(jìn)行“綠葉在光下制造有機(jī)物”的探究性實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)選用擬南芥作為實(shí)驗(yàn)材料效果明顯，為廣大生物教育工作者嘗試采用新材料探究光合作用產(chǎn)生淀粉的實(shí)驗(yàn)提供了一種選擇性的實(shí)驗(yàn)策略。