種子萌發所需外界條件的拓展研究

吳雅靜 （江蘇省南京市金陵中學仙林分校中學部 江蘇南京 210033）

本實驗探究內容選自蘇教版《生物學》7 年級上冊第3 單元第5 章第1 節“植物種子的萌發”。教材中給出“影響種子萌發的外界條件是水或空氣或溫度”的假設，引導學生通過實驗探究，得出實驗結論。本文在教材推薦的實驗變量的基礎上，增加土壤、光照、營養液、模擬酸雨的酸性溶液4 個實驗變量，探究這些外界條件對種子萌發的影響。同時將綠豆植株繼續培養，以探究綠色葉片在光下是否產生淀粉。

1 原實驗的不足之處

1）種子：教材中選取大豆種子或蠶豆種子。經實驗發現，這2 種種子發芽慢，且觀察周期長。

2）裝置：教材推薦小容器，但未說明具體采用什么裝置。

3）外界條件：教材中探究的外界條件為水、空氣或溫度。有學生提出質疑，僅根據這些實驗變量判斷種子萌發所需的外界條件不夠科學，應該增加幾種與植物生長相關的其他變量因子。

2 改進后的實驗

2.1 優化與拓展之處

1）種子：選取綠豆種子為實驗材料。綠豆種子只需1 d，胚根就可突破種皮。

2）裝置：于南京仙東花卉苗木基地購置育苗盤。育苗盤由網格盤和底盤組成，種子放置于網格盤中，底盤盛水。種子萌發后植株的根由網格延伸至底盤中吸水，無需再放棉花或紙巾保持水分，也無需采取海綿等固定根系。育苗盤可盛裝的種子數多，減少因種子數量少而引起的實驗誤差；網格盤格子整齊，方便計數。

3）外界條件：在教材所探究的影響種子萌發的外界條件基礎上，增加土壤、光照、營養液、酸性溶液4 個調控因子。

4）注重教材前、后知識的聯系：將綠豆幼苗在遮光和光照條件下的葉片顏色進行比較，發現葉綠素的形成需要光，這部分實驗知識可應用到7 年級上冊第6 章第2 節“植物光合作用的場所”。酸性溶液對綠豆種子萌發的影響可遷移至7 年級下冊第13 章第1 節“模擬酸雨影響植物種子的萌發”。

2.2 實驗器材 綠豆種子、育苗盤、標簽紙、蒸餾水、冰箱、土壤、豆科植物營養液、白醋、蓄電植物生長燈等。

2.3 實驗方法 教師組織學生利用課余時間查閱有關植物種子萌發的資料，設計實驗方案，在課堂進行匯報。學生經過思維火花的碰撞后，設計出最佳實驗方案。選擇發芽快的綠豆種子為研究材料，采用育苗盤作為實驗裝置。教師將班級學生分為8 個小組，每個小組進行1 種實驗變量的探究，小組合作完成本實驗。具體的實驗設計如下：

1）有水組：量取800 mL 蒸餾水于育苗盤中，隨機選取40 粒綠豆種子均勻置于育苗盤網格上，整個裝置置于朝南臨窗的實驗臺上，室溫為25℃。

2）無水組：隨機選取40 粒綠豆種子均勻置于育苗盤網格上，不加水，放置環境同有水組。

3）無充足空氣組：量取1 300 mL 煮沸再冷卻的蒸餾水于育苗盤中，重復有水組操作，并在水面添加一些植物油以隔絕空氣。

4）低溫組：重復有水組操作，但將裝置置于冰箱保鮮層，溫度設置為4℃，并添加蓄滿電的植物生長燈，設置植物生長燈每天的光照時間為8 h。

5）土壤組：將已高溫滅菌的土壤覆蓋在育苗盤網格上，隨機選取40 粒綠豆種子均勻播種，再添加適量的蒸餾水，放置環境同有水組。

6）遮光組：重復有水組操作，將裝置置于不見光但透氣的實驗室儲物柜中。

7）營養液組：參考華南農業大學豆科營養液配方，配制豆科植物營養液作為肥料，量取800 mL營養液于育苗盤中，不再加水，之后重復有水組操作。

8）酸性溶液組：利用白醋配制酸性溶液（pH=3.0）以模擬酸雨，量取800 mL 酸性溶液于育苗盤中，不再加水，之后重復有水組操作。

在8 張標簽紙上分別標記有水、無水、無充足空氣、低溫、土壤、遮光、營養液、酸性溶液，將標簽紙貼在育苗盤附近。

2.4 觀察與記錄 學生連續7 d 每天定時觀察并記錄各變量組種子的發芽數量和植株高度，第7天記錄植株主根長度等數據，填寫記錄表格，并拍照上傳至生物科學探究微信群。同時，加水或溶液的變量組要及時添加適量的水或溶液，防止因水分或溶液不足而影響種子萌發和植株生長。

2.5 結果與分析

1）不同的外界條件培養的綠豆種子發芽勢和發芽率

各組每天記錄實驗種子的發芽數量，再計算種子的發芽勢和7 d 的發芽率。計算方法：發芽勢（%）=實驗時間內單日發芽數最多的發芽種子數/供試種子總數×100%；發芽率（%）=實驗時間內發芽種子數/供試種子總數×100%。表1 是不同外界條件培養的綠豆種子的發芽勢與發芽率記錄情況，其中，發芽勢統計的是種子萌發第1 天的數據，發芽率統計的是種子萌發第6 天的數據。綠豆種子出芽快，種子吸水后種皮脹破，胚根首先突破種皮發育成根。無水、無充足空氣、低溫、酸性溶液條件下，種子的發芽勢和發芽率均為0。無充足空氣組培育的綠豆種子種皮脹破，胚未發育，種皮脫落，種子逐漸腐爛、發臭。有水組、土壤組、遮光組和營養液組自播種24 h 后單日發芽數即達到最大值，其中，有水組培養的綠豆種子的發芽勢和發芽率均達到100%，土壤組培養的綠豆種子的發芽勢和發芽率相對較低。

表1 不同外界條件培養的綠豆種子的發芽勢（種子萌發第1 天）與發芽率（種子萌發第6 天）

2）不同的外界條件對綠豆植株主根長度的影響。圖1 為綠豆幼苗生長至第7 天時，不同實驗變量對綠豆植株主根長度的影響。由圖可見，在遮光條件下植株的主根最長，而土壤培養的植物主根最短。

圖1 不同外界條件下培養的綠豆植株主根長度（均值±標準差）

3）不同的外界條件對綠豆株高的影響。圖2顯示了不同外界條件下培養的綠豆在7 d 中的株高變化。由圖可見，不同條件培養的綠豆在7 d中的株高均呈上升狀態。遮光條件下培養的綠豆種子，從第2 天起株高超過其他培養組，至第7天時綠豆植株高達30 cm，但植株瘦弱，易倒伏。土壤培養的綠豆植株株高略低于其他組。

圖2 不同外界條件下培養的綠豆株高變化情況

3 討論及結論

教師組織各小組學生根據種子的發芽勢、發芽率和植物生長情況進行討論交流，學生得出該組實驗結論，教師進行實驗結論匯總。

1）根據實驗現象和測定的生理數據，可得出結論：影響綠豆種子萌發的外界條件有適量的水、充足的空氣和適宜的溫度。這是因為種子中所含的淀粉和蛋白質等物質在這些條件下，才能轉變成能被胚利用的營養物質。綠豆種子在不加土壤、遮光、不加營養液培養的條件下均可萌發，說明綠豆種子的萌發與土壤、光照、營養液等因素無關。據表1 數據記錄，模擬酸雨的酸性溶液培養的綠豆種子的發芽勢和發芽率均為0，說明模擬的酸雨溶液嚴重抑制種子萌發。

2）將遮光組和有水組培養的綠豆種子的萌發狀況相比較，表明光并不是影響綠豆種子萌發的條件。在遮光條件下，葉綠素無法合成，長出的植株葉片發黃，植株徒長，植株的主根長度和株高都超過其他組。這是由于光控制細胞的分化、結構和功能的改變，最終匯集成組織和器官的建成[1]。在遮光情況下，植株形態建成差，植物細胞分化能力減弱，細胞伸長能力強。教師可收集相應的圖片，在第6 章第2 節“葉綠體是光合作用的場所”部分進行講解。但有少數植物的種子，在有光的條件下才能萌發良好，例如，擬南芥、煙草和萵苣等[2]。

3）土壤作為植物生長的固定基質，在植物種子萌發和生長過程中并不是必需的。現代化的植物工廠里有大量的水培和霧培植物從播種開始生長。種子的子葉或胚乳中貯藏營養物質，為種子萌發提供營養，所以，種子萌發與外界是否施加肥料無關。pH 值為3.0 的酸性溶液抑制了綠豆種子的萌發，這也可聯系7 年級下冊教材第13章第1 節“模擬酸雨影響植物種子的萌發”的相關探究內容。

4 相關拓展

學生對于上述實驗中綠豆植株在有光和遮光條件下的生長狀況很感興趣，對此提出問題：葉綠素的形成需要光，綠豆的綠葉光合作用究竟產生了什么物質？教師引導學生參考教材第6 章第3 節的相關實驗內容，小組討論并設計實驗，教師再將實驗流程進行匯總，帶領學生共同完成該實驗。經多次實驗探究發現，將綠豆植株繼續培養至第16 天時，實驗現象就很明顯。圖3 展示的是綠豆播種培養至第16 天時葉片經酒精脫色后用碘液處理的實驗現象，葉片遮光部分（中間）呈現淺黃色，照光部分（兩端）呈現深藍色，說明綠豆的綠葉光合作用產生了淀粉。由此可見，本實驗選用的綠豆植株容易培養，葉片薄，脫色迅速，葉片含淀粉多，脫色后葉片完整不破裂，實驗現象明顯。

圖3 酒精脫色后經碘液檢測的綠豆葉片

綜上所述，以綠豆為實驗材料，探究影響種子萌發的外界因素，結果表明，綠豆種子萌發所需的外界條件是適量的水、充足的空氣和適宜的溫度，而與光照、土壤、肥料等條件無關，模擬酸雨的酸性溶液會抑制綠豆種子的萌發。同時對該實驗進行延伸，將綠豆植株繼續培養，對綠豆綠葉的光合作用進行探究，實驗現象明顯。相比教材中推薦的受試植物天竺葵，綠豆植株培養時間短，實驗成功率高。本實驗注重教材知識的前、后關聯，增強了實驗的連續性。教師在引導學生進行實驗的過程中，學生的科學探究能力、實驗創新能力和高階思維等都得到了較大的提升，促進了學生的生物學學科核心素養的發展。