科學實驗與植物生理學教學

路運才

摘 要：植物生理學是普通高等學校生物學專業(yè)和植物生產(chǎn)類領域的一門專業(yè)基礎課程，屬于基礎理論學科，同時也是一門實驗學科。結(jié)合現(xiàn)代教育信息技術(shù)的理論和方法，構(gòu)建了基于經(jīng)典科學實驗和頂級學術(shù)期刊文獻為主線的課程教學體系。以此充分調(diào)動學生熟練掌握理論知識，培養(yǎng)學生用嚴謹?shù)目茖W實驗思維去認識和分析植物生命現(xiàn)象和規(guī)律。

關鍵詞：科學實驗；植物生理學；課程體系

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）23-146-02

植物生理學（Plant physiology）是研究植物的生長發(fā)育與形態(tài)建成、物質(zhì)與能量代謝、信息傳遞與信號傳導等生命活動規(guī)律及其與環(huán)境相互關系的科學。該課程是高等農(nóng)林院校生物學專業(yè)和植物生產(chǎn)類各專業(yè)領域的一門基礎課程。植物生理學是一門基礎理論與實驗密切聯(lián)系的科學，其理論知識來源于科學實驗。植物生理學實驗作為其教學的重要組成部分，既可加深學生對理論和實驗基本原理的理解，又可強化訓練學生的實驗技能，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)、提高學生分析和解決問題的能力。因此，通過植物生理學的學習，使學生能夠全面掌握植物生命活動的基本規(guī)律，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的與該課程相關的難題，為保障國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

1 科學實驗與植物生理學課程的關系

植物生理學是生命科學尤其是農(nóng)林學科人才培養(yǎng)中重要的專業(yè)基礎課程，是一門建立在科學實驗基礎上的科學。植物生理學從孕育、誕生、成長到發(fā)展階段，近400a的發(fā)展史包含了無數(shù)個科學實驗。如，孕育階段荷蘭人J.B.van Helmont設計的柳樹盆栽稱重實驗、英國學者J.Priestley發(fā)現(xiàn)綠色植物具有“凈化”空氣的作用，開啟了光合作用的時代；19世紀60年代，俄國植物生理學家季米里亞捷夫用自行設計的儀器對葉綠素的吸收光譜進行了研究，證明光合作用所利用的光就是葉綠素所吸收的光。M.Calvin于20世紀50年代采用14C示蹤法和紙上層析技術(shù)，揭示了光合作用中CO2同化的歷程，建立了卡爾文循環(huán)—光合碳循環(huán)。美國學者F.C.Steward 及其合作者通過研究細胞分裂素的功能，證明了植物細胞具有全能性（totipotency）。植物生理學的許多重大理論和發(fā)現(xiàn)都來自科學實驗。當然，每一個經(jīng)典科學實驗的發(fā)現(xiàn)也將植物生理學學科的發(fā)展引向一個新的高度。因此，植物生理學科學實驗是植物生理學教學體系中不可或缺的環(huán)節(jié)，通過講解科學經(jīng)典實驗的設計思路、操作過程、結(jié)果和不足之處，不僅能夠啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學生對科學家科學探索精神的憧憬和學習植物生理學的興趣。而且通過對經(jīng)典實驗的詳細講解和分析，使學生如身臨其境地認識和掌握理論。以每個章節(jié)的經(jīng)典實驗為主線，將科學實驗和理論知識有機銜接，構(gòu)建一個較為完整的課程體系。學生通過溫習這些科學實驗，不僅可以培養(yǎng)自身的科研思維能力，也強化了學生對植物生理學課程的整體認識和全面把握。

2 基于科學實驗視角，構(gòu)建植物生理學課程體系

植物生理學主要包括細胞生理、水分生理、礦質(zhì)營養(yǎng)生理、呼吸與光合作用、植物生長物質(zhì)、生長與生殖生理、成熟與衰老生理以及逆境生理等10章內(nèi)容，在每個章節(jié)中都有一些經(jīng)典的科學實驗，而且有些實驗屬于綜合性內(nèi)容，涉及不同章節(jié)的內(nèi)容。通過收集、整理及講解經(jīng)典科學實驗的設計思路、人物、結(jié)論等內(nèi)容引入到植物生理學課堂中，將植物生理學的基礎理論知識和科學實驗融會貫通，使學生既掌握了科學實驗方法，又強化了理論知識的內(nèi)在聯(lián)系。下面分別將各個章節(jié)中主要的科學實驗作一總結(jié)。

第一章，植物細胞生理的重點內(nèi)容為植物細胞的全能性。通過講解1902年德國植物學家Haberlandt提出植物細胞全能性的理論及1958年Steward等以胡蘿卜為實驗材料，利用人工培養(yǎng)基獲得胚狀體及胡蘿卜新植株等內(nèi)容，引出植物的每個細胞都具備發(fā)育成完整植株的遺傳能力，即植物細胞全能性的概念。第二章，植物的水分生理，需要重點掌握植物細胞和根系對水分的吸收方式、途徑及機理。通過講解植物水孔蛋白（aquaporin）的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、特征、種類、分布、功能及其調(diào)控等科學研究進展強化學生對水分跨膜運輸?shù)恼J識；通過測定折斷的玉米莖稈基部傷口流出汁液的壓力及觀察田間水稻葉尖排水孔的水珠等實驗來領悟傷流和吐水等植物生理學現(xiàn)象及主動吸收方式。第三章，植物的礦質(zhì)營養(yǎng)生理，講解英國的John Woodward用雨水、河水、山泉水、自來水和花園土的水浸提液培養(yǎng)薄荷，發(fā)現(xiàn)植株在河水中生長較好，在土壤浸提液中生長最好及德國的J.Liebig 創(chuàng)建礦質(zhì)營養(yǎng)學說、水培缺素實驗以及中國農(nóng)業(yè)大學武維華院士于2006年發(fā)表在cell雜志上的有關擬南芥根細胞K+通道活性的調(diào)控方面解讀，使學生全面理解礦質(zhì)元素的功能及植物對礦質(zhì)元素吸收的機理等內(nèi)容。第四章，植物的呼吸作用，涉及氧化磷酸化作用的機制問題存在一些假說。通過介紹英國生物化學家P.Mitchell提出的化學滲透偶聯(lián)學說及美國生物化學家Boyer提出的ATP合酶的轉(zhuǎn)化機制實驗來解釋ATP的生成。第五章，植物光合作用是植物生理學的重要一章，涉及1782年J.Senebier用化學分析的方法證明了二氧化碳和氧氣是光合作用的主要成分；1939年英國Robert.Hill發(fā)現(xiàn)在分離的葉綠體照光后發(fā)生水的光解和放氧；20世紀40年代發(fā)現(xiàn)的紅降現(xiàn)象及1957年Robert.Emerson觀察到小球藻在用遠紅光和短波長光照射時，發(fā)現(xiàn)的雙光增益效應；20世紀40～50年代，美國加州大學的M.Calvin研究和提出CO2同化途徑；環(huán)割樹木和蚜蟲吻刺實驗證明同化物運輸途徑和形式；比較壓力流動學說、細胞質(zhì)泵動學說及收縮蛋白學說來闡明同化物在韌皮部運輸?shù)臋C制。第六章，植物生長物質(zhì)主要介紹生長素、赤霉素、乙烯、細胞分裂素、脫落酸等五大類激素及其植物生長調(diào)節(jié)劑。通過講解Charles Darwin父子的虉草向光性實驗、荷蘭的Went開展的燕麥胚芽鞘彎曲實驗、1926年日本人黑澤英一研究水稻出現(xiàn)惡苗病、1963年Miller等從玉米種子分離到玉米素、1964年美國的Addicott等從棉花中提取出脫落素、20世紀初期英國、美國等科學家證明乙烯是植物的天然產(chǎn)物和催熟激素等實驗來闡明主要激素的發(fā)現(xiàn)歷程。第七章，植物的生長生理包括1952年Borthwrick等在美國農(nóng)業(yè)研究中心利用不同顏色的單色光處理萵苣種子，發(fā)現(xiàn)紅光和遠紅光對種子的萌發(fā)截然相反，為光敏色素的發(fā)現(xiàn)提供了重要實驗證據(jù)。2010年，阿根廷研究人員Sabrina E.Sanchez等在英國《自然》周刊上發(fā)表了一種調(diào)控生物鐘節(jié)律的蛋白質(zhì)方面的研究成果。上述發(fā)現(xiàn)有具體應用價值，尤其是在農(nóng)業(yè)方面。比如某些植物的葉子越多，收成越好，而葉子數(shù)量取決于花期長短，花期則由生物鐘控制。如果通過基因調(diào)控，改變這些植物的生物鐘，就有望使它們長出更多的葉子，帶來更好的經(jīng)濟效益。通過學習該文獻，使同學們體會到植物生理學與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐在分子水平上的聯(lián)系。第八章，植物的生殖生理包括了暗期間斷對植物開花的影響實驗、春化作用的發(fā)現(xiàn)等科學實驗。2004年美國加州大學Yan Liuling等在美國science雜志發(fā)表了有關調(diào)控小麥春化作用的基因的研究成果，通過該文獻的學習使同學真正領悟到現(xiàn)代生物技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻。第九章，植物的成熟與衰老一章涉及果實的呼吸躍變和馬鈴薯、洋蔥等種子的休眠方面的實驗。第十章，植物的逆境生理，重點講述植物響應逆境脅迫條件下，依賴于ABA途徑和非依賴ABA途徑的發(fā)現(xiàn)、植物低溫、干旱、鹽害、病害等脅迫的響應機制查找和討論在分子水平上的最新研究進展，使學生認識到氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

3 結(jié)語

綜上所述，以植物生理學課程每個章節(jié)中的經(jīng)典科學實驗及當今世界頂級學術(shù)期刊《cell》、《Nature》和《Science》上發(fā)表的有關植物生理學研究成果為主線，通過講解和分析每個實驗目的與意義、原理與方法、技術(shù)操作及實驗結(jié)果等，演繹出相關的植物生理學理論和知識點，同時將各個章節(jié)的相關實驗有機聯(lián)系在一起，構(gòu)建整個課程網(wǎng)絡體系。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，植物生理學領域的科學研究不斷深入，且研究成果顯著，為植物生理學理論教學提供了豐富的素材。我們相信，通過本課程的學習，學生一方面能夠全面認識植物生命活動的基本規(guī)律及其與環(huán)境互作的關系，同時系統(tǒng)掌握研究植物生命活動規(guī)律及其與環(huán)境間的方法和技術(shù)，學會用嚴謹?shù)目茖W實驗思維去認識和分析生命現(xiàn)象和規(guī)律。

參考文獻

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