李 真 沈 璟
[對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)附屬中學(xué)(北京市第九十四中學(xué)) 北京 100102]
原生質(zhì)體融合是植物體細(xì)胞雜交的第1 步,屬于人教版教材高中生物學(xué)選修3《細(xì)胞工程》中的重要內(nèi)容?!镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[1]在概念4“動(dòng)物細(xì)胞工程”的大概念下,要求學(xué)生“概述植物體細(xì)胞雜交是將不同植物體細(xì)胞在一定條件下融合成雜合細(xì)胞”,通過(guò)該部分的學(xué)習(xí)能針對(duì)生產(chǎn)或生活的某一需求,在細(xì)胞工程中選用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法提出初步的設(shè)想。而教材中未開(kāi)展這一部分的實(shí)驗(yàn),造成學(xué)生僅掌握基本知識(shí),未形成直觀的認(rèn)識(shí),為了使學(xué)生深入理解教材內(nèi)容和相關(guān)知識(shí)點(diǎn),并對(duì)植物原生質(zhì)體制備和融合的過(guò)程有感性認(rèn)識(shí),筆者在課下帶領(lǐng)興趣小組進(jìn)行了前期實(shí)驗(yàn)摸索和改進(jìn),課上通過(guò)改進(jìn)后的流程,使學(xué)生成功觀察到原生質(zhì)體的融合過(guò)程。
教材中提到番茄和土豆原生質(zhì)體融合,本實(shí)驗(yàn)希望用生活中常見(jiàn)的蔬菜和開(kāi)花植物進(jìn)行探究。在設(shè)計(jì)前學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)找到酶解液的配方,選擇PEG 誘導(dǎo)融合,選擇何種實(shí)驗(yàn)材料、該酶解液配方是否適用于所選材料的酶解、酶解時(shí)間如何掌握,針對(duì)這些問(wèn)題需進(jìn)行初步探究,具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案詳見(jiàn)表1。
表1 設(shè)計(jì)角度與實(shí)驗(yàn)方案
1)配制酶解液(10 mL):稱(chēng)取甘露醇0.72 g,纖維素酶0.1 g,離析酶0.01 g,果膠酶0.01 g,100 mmol/L 2-(N-嗎啡啉)乙磺酸(MES)500 μL,55℃加熱10 min,冷卻至室溫加入牛血清蛋白(BSA)0.015 g,100 mmol/L CaCl2800 μL,加水定容至10 mL。
2)配制0.4 mol/L 甘露醇和0.16 mol/L 的CaCl2溶液(pH=5.8~6.2)和PEG 溶液[20%~40%(w/v)PEG6000,CaCl20.01 mol/L,KH2PO40.00074 mol/L,山梨醇0.1 mol/L]備用。
3)在玻璃平皿上滴加1 mL 左右0.4 mol/L甘露醇溶液,取洗凈晾干的新鮮材料,用解剖刀切成細(xì)絲狀,盡量保證刀口平齊。
4)用尖頭鑷子夾取細(xì)絲輕柔緩慢地放入酶解液中,25℃、60 r/min 培養(yǎng)1~6 h。
5)取出酶解后的原生質(zhì)體,置于6 cm 一次性塑料平皿蓋子上過(guò)200 目或100 目篩子。
6)濾液轉(zhuǎn)移至15 mL 離心管中,500 轉(zhuǎn)離心1 min,去上清液,加入1 mL 0.16 mol/L CaCl2溶液,重懸浮原生質(zhì)體。
7)將2 種原生質(zhì)體等量混合后,靜置10 min。
8)滴入等量的PEG 液,靜置15 min 后,顯微鏡下觀察并拍照記錄。
3.1 不同酶解時(shí)間的影響 本研究用纖維素酶、果膠酶和離析酶(具有半纖維素酶和果膠酶活性)配制酶解液,以酶解法制備原生質(zhì)體。由于小白菜的葉片光滑、平直、無(wú)毛,且主葉脈明顯,便于操作,所以先嘗試使用小白菜作為實(shí)驗(yàn)材料探究。切取1 g 小白菜細(xì)絲放入10 mL 酶解液中,震蕩培養(yǎng)酶解1~6 h 后取出,用5 mL CaCl2溶液重懸原生質(zhì)體,隨后使用血球計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)完整的原生質(zhì)體數(shù)量,3 次生物學(xué)重復(fù)分別計(jì)數(shù)后求平均值。結(jié)果如圖1所示,原生質(zhì)體的數(shù)量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),酶解1~3 h 后視野下可見(jiàn)的原生質(zhì)體數(shù)量較少,4 h 后視野下可見(jiàn)完整的原生質(zhì)體數(shù)量大幅增加,多達(dá)2.2×105個(gè)/mL,且大部分原生質(zhì)體完整性較好呈圓球形,4 h 后隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng),視野下可見(jiàn)的完整原生質(zhì)體數(shù)量逐漸減少,6 h 時(shí)大部分原生質(zhì)體已破損,呈圓球狀完整原生質(zhì)體的數(shù)量大幅降低,可能是由于酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng),對(duì)原生質(zhì)體造成一定程度的破壞。
圖1 不同酶解時(shí)間原生質(zhì)體數(shù)量統(tǒng)計(jì)
3.2 不同材料的影響 為了獲得更多的原生質(zhì)體同時(shí)便于觀察融合程度,本研究中共選擇具有3種顏色的8 種實(shí)驗(yàn)材料,基于小白菜酶解時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別用250 mL 錐形瓶震蕩培養(yǎng)4 h 后顯微鏡下觀察(圖2)。鈣菜、快菜、生菜、小白菜、油菜、油麥菜原生質(zhì)體完整性都較好;從數(shù)量看,400 倍視野下生菜、小白菜的制備效果顯著優(yōu)于其他材料;從顏色看,小白菜和鈣菜的綠色較其他4 種材料略深,這可能與植物的葉片厚度、葉片的形態(tài)、細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有關(guān)。除此之外,視野下可見(jiàn)棣棠花(圖2G)和紫甘藍(lán)(圖2H)在酶解4 h 后原生質(zhì)體均完整性好、數(shù)量滿(mǎn)足融合需要。
圖2 不同材料酶解4 h 后的原生質(zhì)體
3.3 不同PEG 濃度的影響 在原生質(zhì)體融合時(shí),使用不同濃度的PEG 融合效果和處理時(shí)間存在較大差異,本實(shí)驗(yàn)中使用小白菜和紫甘藍(lán)酶解4 h 后加入不同濃度PEG 誘導(dǎo)15 min。結(jié)果顯示(圖3),20% PEG 誘導(dǎo)15 min,大部分原生質(zhì)體僅是距離靠近但并未融合,使用30% PEG 誘導(dǎo)開(kāi)始觀察到原生質(zhì)體的融合,而40% PEG 造成多個(gè)原生質(zhì)體的多聚融合,不利于結(jié)果的觀察。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),原生質(zhì)體融合的程度逐漸增加。
圖3 不同PEG 濃度下原生質(zhì)體的融合情況
由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不同酶解時(shí)間、不同實(shí)驗(yàn)材料、不同PEG 濃度都會(huì)影響原生質(zhì)體的制備和融合效果。酶解時(shí)間4 h 時(shí)原生質(zhì)體數(shù)量最多、完整性最好;實(shí)驗(yàn)材料選擇紫甘藍(lán)、棣棠和小白菜,前二者具有獨(dú)特的顏色便于觀察融合情況,而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制備綠色的原生質(zhì)體選擇生菜或小白菜效果較好,但是由于生菜獨(dú)特的羽狀葉,在切取過(guò)程中難度大、耗時(shí)長(zhǎng),最終選擇小白菜制備綠色的原生質(zhì)體;使用濃度為20%和30%的PEG 都可誘導(dǎo)原生質(zhì)體的融合,但是低濃度需要的誘導(dǎo)時(shí)間較長(zhǎng),高濃度能適當(dāng)縮短誘導(dǎo)時(shí)間。為了提供更多的可選材料,讓學(xué)生在短時(shí)間觀察到多種明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)保證充足的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間,最終選用小白菜(綠色)、棣棠花(黃色)、紫甘藍(lán)(紫色),酶解4 h 后使用30% PEG 誘導(dǎo)原生質(zhì)體的融合。
利用顯微鏡進(jìn)行觀察,學(xué)生可直觀地觀察到不同顏色不同材料的原生質(zhì)體融合過(guò)程(圖4),課堂上要求學(xué)生用手機(jī)拍照并標(biāo)注使用材料、放大倍數(shù)等信息上傳到班級(jí)群內(nèi)(圖5)。
圖4 以紫甘藍(lán)和小白菜為例的原生質(zhì)體融合
圖5 學(xué)生拍攝的圖片
不同植物酶解時(shí)間有較大差異。例如,珠眉海棠根采用兩步法酶解需要25℃、40 min[3];秀珍菇需要30℃酶解3 h[4];穆惠敏等[5]在28℃情況下,酶解100 min 制備紫菜的原生質(zhì)體;杜小云等[6]建立“紅顏”草莓瞬時(shí)轉(zhuǎn)化體系,需要31℃酶解10 h。由于不同植物材料的木質(zhì)化程度不同,酶解時(shí)間從幾十分鐘到十幾小時(shí)變化較大。本實(shí)驗(yàn)中用不同時(shí)間酶解小白菜葉片,4 h 時(shí)完整的可后續(xù)使用原生質(zhì)體數(shù)量最多,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),原生質(zhì)體數(shù)量逐漸降低,4 h 后細(xì)胞已充分酶解,而震蕩處理會(huì)造成原生質(zhì)體的損傷,所以酶解時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。
珠眉海棠根可采用一步法或兩步法酶解,但是兩步法效果更優(yōu)[3];齊耀程[7]在制備三生煙葉片與煙花的原生質(zhì)體時(shí),葉片最佳制備條件為1%纖維素酶、0.5%的離析酶、酶解4 h,而煙花最佳制備條件為0.8%纖維素酶、0.4%的離析酶、酶解2 h,可見(jiàn)不同的實(shí)驗(yàn)材料影響酶解的條件。在本實(shí)驗(yàn)中選用常見(jiàn)菜的葉片為材料,方便獲得,葉片當(dāng)中含有較多的薄壁組織,酶解較其他植物器官容易。
一般所用的PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為1 000 ~6 000,PEG 分子量大于1 000 時(shí),才能誘導(dǎo)原生質(zhì)體達(dá)到緊密的粘連和較為理想的融合效果[8]。廣藿香原生質(zhì)體融合時(shí),使用40% PEG6000 化學(xué)促融30 min,聚合率可達(dá)57.19%[9];白色金針菇菌株3W4 和白色金針菇菌株FMY1203 為親本,雙親原生質(zhì)體使用40% PEG 進(jìn)行融合處理[10];康林芝等[11]使用25%PEG4000 將金針菇與平菇融合。本實(shí)驗(yàn)中使用的是PEG6000,PEG 的濃度較低或處理時(shí)間過(guò)短,會(huì)導(dǎo)致融合效果不理想;濃度過(guò)高或處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng),對(duì)原生質(zhì)體的毒害作用增強(qiáng),可能造成原生質(zhì)體的活性喪失或減少異核體的融合率。本實(shí)驗(yàn)中40%的PEG6000 處理很可能是由于濃度過(guò)高,造成異核體融合率顯著降低,而同種植物的原生質(zhì)體融合程度大幅增高。
《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[1]對(duì)教師的教學(xué)和學(xué)生的能力提出了更高的要求,教師應(yīng)該為學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)提供更多的機(jī)會(huì),生物學(xué)科是實(shí)驗(yàn)學(xué)科,知識(shí)的掌握和運(yùn)用應(yīng)當(dāng)從實(shí)驗(yàn)中來(lái),到生活中去,真正將看不見(jiàn)摸不到的知識(shí)轉(zhuǎn)變成看得見(jiàn)摸得著的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生體會(huì)到生物學(xué)科的應(yīng)用和魅力。本節(jié)課是對(duì)選修教材的開(kāi)發(fā)和拓展,通過(guò)筆者的引導(dǎo),學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),深刻體會(huì)到思考在前行動(dòng)在后的重要性,實(shí)驗(yàn)需要想清楚、設(shè)計(jì)好、再行動(dòng);同時(shí)在操作過(guò)程中學(xué)生體會(huì)到每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要嚴(yán)謹(jǐn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲得需要反復(fù)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)探究是一個(gè)曲折的過(guò)程,需要不斷的調(diào)整、嘗試、重復(fù)。此外本節(jié)課也能很好檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況,只有辨別出完整原生質(zhì)體觀察到融合的情況,才能拍照上傳,完成課上任務(wù)。筆者認(rèn)為這是一節(jié)體現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、有借鑒價(jià)值的實(shí)驗(yàn)課。