擬南芥在“綠葉在光下制造有機物”實驗教學中的應用

李 洋 李建楠

(1 首都師范大學生命科學學院 北京 100048; 2 首都師范大學教師教育學院 北京 100048)

光合作用教學在初中生物學教學中扮演著重要的角色，初中人教版教材七年級上“綠葉在光下制造有機物”一節(jié)中探究光合作用的條件和產物的實驗與學生的生活經驗聯(lián)系緊密，能夠培養(yǎng)初中生的科學研究能力，幫助形成物質與能量的生命觀念，為高中光合作用教學打下良好基礎。按照多個版本教材中的建議，該實驗選用天竺葵作為探究實驗的材料，但是根據實際教學進度安排，本節(jié)課授課時北方已經是冬天，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，本實驗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物”實驗的可行性。

1 實驗材料

擬南芥(Arabidopsisthaliana)也稱為鼠耳芥，是科學研究中經典常規(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，容易進行誘變和遺傳轉化等優(yōu)點，擬南芥被廣泛應用在分子生物學、植物遺傳學、發(fā)育生物學、功能基因組學等眾多研究領域[1]。

2 實施步驟和方法

2.1 擬南芥的栽培 本實驗采用土培直播法進行擬南芥的培育。首先，將滅菌后的營養(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，一個托盤可放置1個或多個培養(yǎng)盆。播種前先在托盤內加入適量清水，讓水從培養(yǎng)盆底部慢慢潤濕土壤，待培養(yǎng)土表面潤濕后再播種。用移液槍小心吸取經過春化消毒后的種子，點播在培養(yǎng)土的表面，直徑10 cm左右的培養(yǎng)盆內點播5～6點，每個點播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個孔，播種后置于人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)[2]。培養(yǎng)條件設置為： 光照4 000 lx, 16 h，溫度25℃，空氣相對濕度75%；黑暗8 h，溫度22℃，空氣相對濕度75%。正常情況下，擬南芥2～3 d即可出苗，為了避免生長過密，移除掉同一個點樣位置上多余的幼苗。擬南芥生長3周后即可進行淀粉染色實驗(圖1)。

圖1 實驗室中生長三周的擬南芥幼苗

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行對比實驗，分別用標簽紙標記為光照組和遮光組，光照組放在光照培養(yǎng)箱中，條件設置為： 光照強度4 000 lx, 16 h，溫度25℃，空氣相對濕度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，并用標簽紙進行標記。水浴鍋溫度設置為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，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 結果與討論

3.1 實驗結果 經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，說明并沒有淀粉產生；而光照組中，擬南芥呈現(xiàn)明顯的藍色，說明產生了淀粉。通過對照組和實驗組的對比可以說明擬南芥在光照條件下產生了有機物淀粉，由此證明光照是進行光合作用產生淀粉的必要條件。

3.2 討論 應用擬南芥探究“綠葉在光下制造有機物”的實驗效果明顯，可重復性高，創(chuàng)新性地利用擬南芥這種模式植物作為替代性實驗材料，與現(xiàn)行多個初中版本教材中均利用天竺葵作為實驗材料相比，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖2 擬南芥染色后對比圖(左圖遮光組 右圖光照組)

(1) 擬南芥生長周期短，且在實驗室條件下容易培養(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)藍紫色而遮光部分呈現(xiàn)紅棕色，碘的顏色較深，影響實驗結果的觀察效果。通過圖片對比可以發(fā)現(xiàn)，擬南芥染色效果非常明顯，容易讓學生從實驗結果中觀察現(xiàn)象得出相應的結論，且整個操作過程簡單，重復性和成功率較高。

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