王 穎 許 藝 陳秉初 陳文榮
(浙江師范大學化學與生命科學學院 浙江金華 321004)
氣孔是高等植物與大氣進行水汽交換的主要通道,其開放程度直接影響植物的蒸騰、光合和呼吸作用,在生理上具有重要意義[1]。氣孔運動不僅受到自身遺傳、時間節(jié)律等因素的影響,還接受環(huán)境因子的調(diào)節(jié)與控制,例如水分、溫度、光照、CO2濃度、外源激素等[2]。植物的光合和呼吸作用是高中生物學中的重要知識點,均涉及氣體交換,此外,許多考題都考查了氣孔相關(guān)知識,尤其是將氣孔和光合作用的知識相聯(lián)系進行考查。學生通過進一步探究光照、溫度、CO2濃度對植物氣孔開閉情況的影響,分析氣孔導度與光合速率之間的聯(lián)系,從而更加全面地認識氣孔的結(jié)構(gòu)和開閉機理,深入理解植物的光合作用過程。同時,通過對植物氣孔開閉影響因子的探究,學生能參與探究實驗的設(shè)計和方案實施,培養(yǎng)科學探究的能力,有利于生物學核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。因此,本文對比了鳶尾(Iris tectorum)、劍 麻 (Agave sisalana)、迎春花(Jasminum nudiflorum)和紫竹梅(Setcreasea purpurea)4種觀察氣孔常用植物的氣孔結(jié)構(gòu)和數(shù)量,挑選出實驗最佳材料,并探究了光照、溫度和CO2濃度對該植物氣孔開放率的影響,旨在為中學開展“探究環(huán)境因素對植物氣孔開閉的影響”這一拓展性實驗選擇合適的實驗材料,加深學生對氣孔和光合作用的認識。
1.1 材料篩選 通過查閱文獻,選擇鳶尾、劍麻、迎春花和紫竹梅等4種觀察氣孔常用植物作為備用材料,直接撕取葉片下表皮進行制片,鏡檢。對比10倍鏡下4種植物的氣孔結(jié)構(gòu)、數(shù)量和裝片清晰程度,選擇適宜進行氣孔開閉數(shù)量統(tǒng)計的最佳材料。
1.2 方法 剪取同一植株上長勢一致的葉片,利用恒溫培養(yǎng)箱設(shè)置光照20000lx/23℃、黑暗/23℃、光照20000lx/4℃等3個處理;同時,在光照為200lx,溫度為12℃的環(huán)境下,用系列濃度為0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L 的NaHCO3溶液進 行CO2處理;處理時間均為1h,每個處理重復(fù)至少3次。
處理完畢后用鑷子撕取植物下表皮,放置在滴有清水的載玻片上,蓋上蓋玻片。每組處理制作3張裝片,即3個重復(fù),每張裝片選取6個視野,約160~180個氣孔,在10倍鏡下觀察氣孔開閉情況并導入DP Controller 系統(tǒng)拍照,記錄開放和關(guān)閉的氣孔數(shù)量。
1.3 數(shù)據(jù)處理 用Excel 軟件統(tǒng)計氣孔開放率,計算每組氣孔開放率平均值和標準差,采用SPSS 軟件進行Duncan 檢驗和單因素方差分析比較不同處理間的差異(α=0.05),最后利用SigmaPlot 制圖。
2.1 材料篩選結(jié)果 比較10倍物鏡下鳶尾、劍麻、迎春和紫竹梅4種植物葉片下表皮細胞的鏡像(圖1)可知,鳶尾的裝片清晰度高,表皮細胞形狀規(guī)則;氣孔與表皮細胞交互排列,結(jié)構(gòu)明顯,保衛(wèi)細胞的細胞壁明顯加厚; 氣孔分布均勻且數(shù)量適宜,一個視野中大約有30個,最適宜氣孔開放率的統(tǒng)計。其中,劍麻和迎春花的氣孔數(shù)量過多,不適宜計數(shù);鳶尾和紫竹梅的氣孔數(shù)量適宜,且分布較稀疏。氣孔結(jié)構(gòu)以鳶尾和紫竹梅的清晰度最佳,但紫竹梅的裝片清晰度不高,在撕取下表皮的過程中,容易粘連葉肉細胞。
圖14 種植物葉片下表皮裝片在光學顯微鏡下形態(tài)特征
2.2 光照對鳶尾氣孔開放率的影響 在供水充足的條件下,光照是影響植物氣孔開閉的主要因素[3]。對比不同光照條件下鳶尾的氣孔開放率可知(圖2),光照處理的鳶尾氣孔開放率可達91.78%,而黑暗處理下氣孔大部分呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài),開放率僅11.52%。未經(jīng)光照處理的鳶尾依然存在部分氣孔開放的現(xiàn)象,可認為是受到時間節(jié)律的控制。由此證明,光照能夠促進植物氣孔開放,加快氣體交換的速率。
2.3 溫度對鳶尾氣孔開放率的影響 光照相同時,不同溫度對鳶尾氣孔開放率的影響也有差異(圖3)。23℃處理下的鳶尾氣孔開放率達到91.78%,4℃處理下的鳶尾氣孔多數(shù)打開,開放率接近76.40%,處理間差異顯著。比較2組實驗數(shù)據(jù)可知,較高的溫度能夠促進氣孔開放,隨著溫度下降,氣孔開放率也下降。
圖2 光照對鳶尾氣孔開閉情況的影響
圖3 溫度對鳶尾氣孔開放率的影響
2.4 不同NaHCO3濃度對鳶尾氣孔開放率的影響 大氣中的CO2對氣孔運動的影響顯著。從圖4可以看出,低濃度NaHCO3溶液促進植物氣孔開放,高濃度NaHCO3溶液促進植物氣孔關(guān)閉。與對照相比,5g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開放率由59.43%上升至81.71%,此后隨著NaHCO3溶液濃度的上升,氣孔開放率呈下降趨勢,10g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開放率下降至74.59%,15g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開放率為62.93%,與對照不存在顯著差異,當NaHCO3溶液到達20g/L 時,出現(xiàn)明顯的抑制作用,僅15.80%的氣孔開放。由于利用NaHCO3溶液創(chuàng)造不同濃度的CO2環(huán)境,因此可以認為NaHCO3溶液對氣孔開閉的影響與CO2濃度對氣孔開閉的影響是一致的,低濃度CO2促進植物氣孔開放,高濃度CO2促進植物氣孔關(guān)閉。
圖4 不同NaHCO3 濃度下鳶尾葉片下表皮的氣孔開閉情況
氣孔作為植物進行氣體交換的主要通道,其開放率對光合作用起著直接的影響作用[4]。光照條件下,植物光合作用加強,胞間CO2濃度降低,氣孔開放率增大(圖2),大氣中CO2進入葉片,增加胞間CO2濃度。也有研究表明,光照能促進植物細胞內(nèi)蘋果酸鉀的大量形成,使得保衛(wèi)細胞水勢增加,促進氣孔開放率上升。適宜溫度下,光合酶活性較強,光合速率上升,植物為了獲得更多的CO2原料,氣孔逐漸打開(圖3)。相關(guān)研究顯示,葉溫度蒸汽壓虧缺也存在顯著的相關(guān)性[5]。大氣溫度上升引起葉溫上升,葉片內(nèi)、外蒸汽壓增大,植物通過氣孔導度增大加速蒸騰,以維持葉溫。當蒸騰速率升高到一定程度時,葉片水勢降低,導致氣孔導度減小,光合速率降低。氣孔的數(shù)量和開閉程度對大氣CO2濃度的改變非常敏感。低CO2濃度促進光合速率上升,氣孔開放率增加(圖4),以吸收大氣中更多的CO2。而高CO2濃度為植物提供了充足的光合作用原料,較高的光合速率導致水分大量消耗,保衛(wèi)細胞膨壓減小,氣孔開放率逐漸下降(圖4)。氣孔的關(guān)閉又導致胞間CO2濃度降低,反而使得光合速率下降。由此可見,氣孔導度和胞間CO2濃度之間存在一個反饋環(huán)。此外,高CO2濃度引起的氣孔導度降低和蒸騰速率降低,必然引起葉溫上升,葉溫上升又反過來促進氣孔開放[6]。可見,各相關(guān)因子相互反饋,存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。從氣孔和光合作用的聯(lián)系上來看,適宜的光照、溫度和CO2濃度促進植物的光合作用,導致胞間CO2濃度下降,為獲得充足的光合作用原料,氣孔逐漸開放。而氣孔的開放又反過來促進光合速率上升。值得一提的是,光合速率的限制因素有氣孔因素和非氣孔因素兩大類:氣孔因素主要與CO2供應(yīng)有關(guān),而非氣孔因素主要與葉肉細胞的同化能力有關(guān)。不同情況下,氣孔關(guān)閉對光合速率下降的貢獻率是不同的。因此,不能簡單認為氣孔導度與光合速率之間存在正相關(guān)的關(guān)系。在進行該探究實驗時,教師必須明確這一點,防止學生產(chǎn)生誤解。
鳶尾低溫下氣孔開放度仍較高(圖3),表明其具有較強的耐寒性; 同時,氣孔開閉度受外界CO2顯著影響(圖4),氣孔限制可能是其光合速率的主要限制因子。從實驗效果來看,鳶尾表皮易撕取,不易粘連葉肉;氣孔結(jié)構(gòu)明顯,數(shù)量適宜,分布均勻,便于觀察氣孔開閉情況和數(shù)量統(tǒng)計,且均受溫度、光照及CO2等環(huán)境因子顯著影響,實驗效果明顯。實驗教學是促成學生達成生物學核心素養(yǎng)的重要支撐。通過探究光照、溫度、CO2濃度對植物氣孔開閉情況的影響,學生能對氣體交換過程、氣孔和光合作用以及兩者的聯(lián)系有更加深入的理解,同時能切身體驗科學探究的一般過程和基本方法,提高實驗設(shè)計的能力。綜上所述,“探究環(huán)境因素對植物氣孔開閉的影響”可作為課外拓展性實驗在高中實驗教學中進行推廣。