種子萌發(fā)所需外界條件的拓展研究

吳雅靜 （江蘇省南京市金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部 江蘇南京 210033）

本實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容選自蘇教版《生物學(xué)》7 年級(jí)上冊(cè)第3 單元第5 章第1 節(jié)“植物種子的萌發(fā)”。教材中給出“影響種子萌發(fā)的外界條件是水或空氣或溫度”的假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。本文在教材推薦的實(shí)驗(yàn)變量的基礎(chǔ)上，增加土壤、光照、營(yíng)養(yǎng)液、模擬酸雨的酸性溶液4 個(gè)實(shí)驗(yàn)變量，探究這些外界條件對(duì)種子萌發(fā)的影響。同時(shí)將綠豆植株繼續(xù)培養(yǎng)，以探究綠色葉片在光下是否產(chǎn)生淀粉。

1 原實(shí)驗(yàn)的不足之處

1）種子：教材中選取大豆種子或蠶豆種子。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這2 種種子發(fā)芽慢，且觀(guān)察周期長(zhǎng)。

2）裝置：教材推薦小容器，但未說(shuō)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(xué)生提出質(zhì)疑，僅根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)變量判斷種子萌發(fā)所需的外界條件不夠科學(xué)，應(yīng)該增加幾種與植物生長(zhǎng)相關(guān)的其他變量因子。

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

2.1 優(yōu)化與拓展之處

1）種子：選取綠豆種子為實(shí)驗(yàn)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(gòu)置育苗盤(pán)。育苗盤(pán)由網(wǎng)格盤(pán)和底盤(pán)組成，種子放置于網(wǎng)格盤(pán)中，底盤(pán)盛水。種子萌發(fā)后植株的根由網(wǎng)格延伸至底盤(pán)中吸水，無(wú)需再放棉花或紙巾保持水分，也無(wú)需采取海綿等固定根系。育苗盤(pán)可盛裝的種子數(shù)多，減少因種子數(shù)量少而引起的實(shí)驗(yàn)誤差；網(wǎng)格盤(pán)格子整齊，方便計(jì)數(shù)。

3）外界條件：在教材所探究的影響種子萌發(fā)的外界條件基礎(chǔ)上，增加土壤、光照、營(yíng)養(yǎng)液、酸性溶液4 個(gè)調(diào)控因子。

4）注重教材前、后知識(shí)的聯(lián)系：將綠豆幼苗在遮光和光照條件下的葉片顏色進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)葉綠素的形成需要光，這部分實(shí)驗(yàn)知識(shí)可應(yīng)用到7 年級(jí)上冊(cè)第6 章第2 節(jié)“植物光合作用的場(chǎng)所”。酸性溶液對(duì)綠豆種子萌發(fā)的影響可遷移至7 年級(jí)下冊(cè)第13 章第1 節(jié)“模擬酸雨影響植物種子的萌發(fā)”。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材 綠豆種子、育苗盤(pán)、標(biāo)簽紙、蒸餾水、冰箱、土壤、豆科植物營(yíng)養(yǎng)液、白醋、蓄電植物生長(zhǎng)燈等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法 教師組織學(xué)生利用課余時(shí)間查閱有關(guān)植物種子萌發(fā)的資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在課堂進(jìn)行匯報(bào)。學(xué)生經(jīng)過(guò)思維火花的碰撞后，設(shè)計(jì)出最佳實(shí)驗(yàn)方案。選擇發(fā)芽快的綠豆種子為研究材料，采用育苗盤(pán)作為實(shí)驗(yàn)裝置。教師將班級(jí)學(xué)生分為8 個(gè)小組，每個(gè)小組進(jìn)行1 種實(shí)驗(yàn)變量的探究，小組合作完成本實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1）有水組：量取800 mL 蒸餾水于育苗盤(pán)中，隨機(jī)選取40 粒綠豆種子均勻置于育苗盤(pán)網(wǎng)格上，整個(gè)裝置置于朝南臨窗的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，室溫為25℃。

2）無(wú)水組：隨機(jī)選取40 粒綠豆種子均勻置于育苗盤(pán)網(wǎng)格上，不加水，放置環(huán)境同有水組。

3）無(wú)充足空氣組：量取1 300 mL 煮沸再冷卻的蒸餾水于育苗盤(pán)中，重復(fù)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(fù)有水組操作，但將裝置置于冰箱保鮮層，溫度設(shè)置為4℃，并添加蓄滿(mǎn)電的植物生長(zhǎng)燈，設(shè)置植物生長(zhǎng)燈每天的光照時(shí)間為8 h。

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

6）遮光組：重復(fù)有水組操作，將裝置置于不見(jiàn)光但透氣的實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)物柜中。

7）營(yíng)養(yǎng)液組：參考華南農(nóng)業(yè)大學(xué)豆科營(yíng)養(yǎng)液配方，配制豆科植物營(yíng)養(yǎng)液作為肥料，量取800 mL營(yíng)養(yǎng)液于育苗盤(pán)中，不再加水，之后重復(fù)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(pán)中，不再加水，之后重復(fù)有水組操作。

在8 張標(biāo)簽紙上分別標(biāo)記有水、無(wú)水、無(wú)充足空氣、低溫、土壤、遮光、營(yíng)養(yǎng)液、酸性溶液，將標(biāo)簽紙貼在育苗盤(pán)附近。

2.4 觀(guān)察與記錄 學(xué)生連續(xù)7 d 每天定時(shí)觀(guān)察并記錄各變量組種子的發(fā)芽數(shù)量和植株高度，第7天記錄植株主根長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，填寫(xiě)記錄表格，并拍照上傳至生物科學(xué)探究微信群。同時(shí)，加水或溶液的變量組要及時(shí)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(fā)和植株生長(zhǎng)。

2.5 結(jié)果與分析

1）不同的外界條件培養(yǎng)的綠豆種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率

各組每天記錄實(shí)驗(yàn)種子的發(fā)芽數(shù)量，再計(jì)算種子的發(fā)芽勢(shì)和7 d 的發(fā)芽率。計(jì)算方法：發(fā)芽勢(shì)（%）=實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)單日發(fā)芽數(shù)最多的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；發(fā)芽率（%）=實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。表1 是不同外界條件培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率記錄情況，其中，發(fā)芽勢(shì)統(tǒng)計(jì)的是種子萌發(fā)第1 天的數(shù)據(jù)，發(fā)芽率統(tǒng)計(jì)的是種子萌發(fā)第6 天的數(shù)據(jù)。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(fā)育成根。無(wú)水、無(wú)充足空氣、低溫、酸性溶液條件下，種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均為0。無(wú)充足空氣組培育的綠豆種子種皮脹破，胚未發(fā)育，種皮脫落，種子逐漸腐爛、發(fā)臭。有水組、土壤組、遮光組和營(yíng)養(yǎng)液組自播種24 h 后單日發(fā)芽數(shù)即達(dá)到最大值，其中，有水組培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均達(dá)到100%，土壤組培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率相對(duì)較低。

表1 不同外界條件培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)（種子萌發(fā)第1 天）與發(fā)芽率（種子萌發(fā)第6 天）

2）不同的外界條件對(duì)綠豆植株主根長(zhǎng)度的影響。圖1 為綠豆幼苗生長(zhǎng)至第7 天時(shí)，不同實(shí)驗(yàn)變量對(duì)綠豆植株主根長(zhǎng)度的影響。由圖可見(jiàn)，在遮光條件下植株的主根最長(zhǎng)，而土壤培養(yǎng)的植物主根最短。

圖1 不同外界條件下培養(yǎng)的綠豆植株主根長(zhǎng)度（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

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

圖2 不同外界條件下培養(yǎng)的綠豆株高變化情況

3 討論及結(jié)論

教師組織各小組學(xué)生根據(jù)種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行討論交流，學(xué)生得出該組實(shí)驗(yàn)結(jié)論，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)論匯總。

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)定的生理數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：影響綠豆種子萌發(fā)的外界條件有適量的水、充足的空氣和適宜的溫度。這是因?yàn)榉N子中所含的淀粉和蛋白質(zhì)等物質(zhì)在這些條件下，才能轉(zhuǎn)變成能被胚利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。綠豆種子在不加土壤、遮光、不加營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的條件下均可萌發(fā)，說(shuō)明綠豆種子的萌發(fā)與土壤、光照、營(yíng)養(yǎng)液等因素?zé)o關(guān)。據(jù)表1 數(shù)據(jù)記錄，模擬酸雨的酸性溶液培養(yǎng)的綠豆種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均為0，說(shuō)明模擬的酸雨溶液嚴(yán)重抑制種子萌發(fā)。

2）將遮光組和有水組培養(yǎng)的綠豆種子的萌發(fā)狀況相比較，表明光并不是影響綠豆種子萌發(fā)的條件。在遮光條件下，葉綠素?zé)o法合成，長(zhǎng)出的植株葉片發(fā)黃，植株徒長(zhǎng)，植株的主根長(zhǎng)度和株高都超過(guò)其他組。這是由于光控制細(xì)胞的分化、結(jié)構(gòu)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(tài)建成差，植物細(xì)胞分化能力減弱，細(xì)胞伸長(zhǎng)能力強(qiáng)。教師可收集相應(yīng)的圖片，在第6 章第2 節(jié)“葉綠體是光合作用的場(chǎng)所”部分進(jìn)行講解。但有少數(shù)植物的種子，在有光的條件下才能萌發(fā)良好，例如，擬南芥、煙草和萵苣等[2]。

3）土壤作為植物生長(zhǎng)的固定基質(zhì)，在植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)過(guò)程中并不是必需的?，F(xiàn)代化的植物工廠(chǎng)里有大量的水培和霧培植物從播種開(kāi)始生長(zhǎng)。種子的子葉或胚乳中貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為種子萌發(fā)提供營(yíng)養(yǎng)，所以，種子萌發(fā)與外界是否施加肥料無(wú)關(guān)。pH 值為3.0 的酸性溶液抑制了綠豆種子的萌發(fā)，這也可聯(lián)系7 年級(jí)下冊(cè)教材第13章第1 節(jié)“模擬酸雨影響植物種子的萌發(fā)”的相關(guān)探究?jī)?nèi)容。

4 相關(guān)拓展

學(xué)生對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)中綠豆植株在有光和遮光條件下的生長(zhǎng)狀況很感興趣，對(duì)此提出問(wèn)題：葉綠素的形成需要光，綠豆的綠葉光合作用究竟產(chǎn)生了什么物質(zhì)？教師引導(dǎo)學(xué)生參考教材第6 章第3 節(jié)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，小組討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，教師再將實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行匯總，帶領(lǐng)學(xué)生共同完成該實(shí)驗(yàn)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，將綠豆植株繼續(xù)培養(yǎng)至第16 天時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就很明顯。圖3 展示的是綠豆播種培養(yǎng)至第16 天時(shí)葉片經(jīng)酒精脫色后用碘液處理的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，葉片遮光部分（中間）呈現(xiàn)淺黃色，照光部分（兩端）呈現(xiàn)深藍(lán)色，說(shuō)明綠豆的綠葉光合作用產(chǎn)生了淀粉。由此可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)選用的綠豆植株容易培養(yǎng)，葉片薄，脫色迅速，葉片含淀粉多，脫色后葉片完整不破裂，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

圖3 酒精脫色后經(jīng)碘液檢測(cè)的綠豆葉片

綜上所述，以綠豆為實(shí)驗(yàn)材料，探究影響種子萌發(fā)的外界因素，結(jié)果表明，綠豆種子萌發(fā)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(wú)關(guān)，模擬酸雨的酸性溶液會(huì)抑制綠豆種子的萌發(fā)。同時(shí)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行延伸，將綠豆植株繼續(xù)培養(yǎng)，對(duì)綠豆綠葉的光合作用進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。相比教材中推薦的受試植物天竺葵，綠豆植株培養(yǎng)時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)成功率高。本實(shí)驗(yàn)注重教材知識(shí)的前、后關(guān)聯(lián)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性。教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生的科學(xué)探究能力、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和高階思維等都得到了較大的提升，促進(jìn)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。