植物逆境生理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

李慧　李?lèi)?ài)　高英　于瑋瑋　王金龍　彭立新

摘 要：植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是植物生理學(xué)教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。課程組教師將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源開(kāi)設(shè)了“植物逆境生理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”，旨在從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析等多方面提高學(xué)生的科研探索精神，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，團(tuán)結(jié)協(xié)作精神以及學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，為高水平農(nóng)科人才的培養(yǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：植物逆境生理 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 開(kāi)發(fā) 資源

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423；Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0137-02

植物生理學(xué)是研究植物生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)[1]。它是生命科學(xué)、農(nóng)學(xué)、園藝學(xué)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)學(xué)習(xí)中具有十分重要的地位和作用。植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是植物生理學(xué)教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。以往的教學(xué)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，這就大大地限制了創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。而綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)所需知識(shí)量大、設(shè)計(jì)要求高、實(shí)驗(yàn)難度大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且要對(duì)已有知識(shí)能夠靈活的綜合利用[2]。這就需要教師在充分的準(zhǔn)備、考證下開(kāi)設(shè)相應(yīng)有利于培養(yǎng)高素質(zhì)人才的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。多年來(lái)，課程組一直致力于研究和開(kāi)發(fā)有利于提高學(xué)生綜合素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在完成4個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和相應(yīng)的考核方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，將科研成果轉(zhuǎn)化為綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即植物逆境生理綜合計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

1 科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

逆境是指不利于植物生存發(fā)育的各種環(huán)境因素，包括鹽堿、干旱、低溫、高溫等非生物因素逆境和病蟲(chóng)害等生物因素逆境。大多數(shù)逆境脅迫都會(huì)引起植物活性氧積累、生物膜損傷和滲透脅迫等生理反應(yīng)。結(jié)合天津市濱海土壤鹽漬化的特點(diǎn)，課程組成員已對(duì)紅花、胡盧巴[3]、沙棗[4]等植物耐鹽生理機(jī)理進(jìn)行了較為深入的探究，并總結(jié)出一套科學(xué)可行的實(shí)驗(yàn)體系。因此，課程組將科研成果融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)設(shè)了“植物逆境生理的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”，以鹽脅迫為主要逆境研究條件，探究不同程度鹽脅迫下植物的生理變化，旨在加深學(xué)生們對(duì)逆境生理的理解，提高他們的科學(xué)探索精神、科研素養(yǎng)及對(duì)植物生理學(xué)學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。

2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的核心之一在于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，這需要教師與學(xué)生付出一定的時(shí)間與精力去查閱文獻(xiàn)，構(gòu)思實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)的可行性進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估。植物逆境生理綜合計(jì)性實(shí)驗(yàn)就要求學(xué)生從選擇植物材料、鹽脅迫強(qiáng)度及逆境生理指標(biāo)等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，發(fā)揮他們的創(chuàng)新意識(shí)，提高他們的科研興趣。

2.1 植物材料的選擇

不同種植物的耐鹽性會(huì)有所不同，同一種植物不同品種耐鹽性也會(huì)有所差異。學(xué)生可自主選擇本專業(yè)感興趣的植物材料進(jìn)行鹽脅迫處理，分析所選植物材料的耐鹽性。由于實(shí)驗(yàn)所用植物材料往往為幼苗，從催芽、育苗到苗期管理，工作量較大，以往教師需要花費(fèi)很多的精力來(lái)培養(yǎng)植物材料。將植物材料的選擇自主化，可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣與熱情。每個(gè)班可以選取幾位同學(xué)來(lái)負(fù)責(zé)植物材料的準(zhǔn)備工作，在園藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理的前提條件下，學(xué)生們從種子開(kāi)始親自動(dòng)手準(zhǔn)備植物材料，可以使他們深入認(rèn)識(shí)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，提高他們的動(dòng)手能力，并且可以為實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展提供很好的植物材料基礎(chǔ)。

2.2 鹽脅迫強(qiáng)度的選擇

根據(jù)植物的耐鹽能力，可以將其分為鹽生植物和甜土植物。鹽生植物可正常生長(zhǎng)的鹽度范圍為1.5%～2.0%，如堿蓬等。甜土植物對(duì)鹽漬敏感，耐鹽范圍為0.2%～0.8%，大多數(shù)農(nóng)作物屬于甜土植物。甜土植物又可以根據(jù)其耐鹽能力分為鹽敏感植物和耐鹽植物。學(xué)生們可以根據(jù)選擇的實(shí)驗(yàn)材料自主查閱文獻(xiàn)，了解所選植物的耐鹽特性，選擇合適的鹽脅迫強(qiáng)度，進(jìn)行鹽脅迫處理。

2.3 植物逆境生理指標(biāo)的選擇

在植物正常的生長(zhǎng)代謝中，植物細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除是處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)[5]。但當(dāng)植物遭受到鹽脅迫等逆境脅迫時(shí)，活性氧累積過(guò)多，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)平衡被打破。活性氧過(guò)多會(huì)造成膜脂過(guò)氧化作用，從而使膜結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而引起一系列的生理生化紊亂。同時(shí)，活性氧還會(huì)直接破壞蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子，對(duì)細(xì)胞造成傷害。植物細(xì)胞中存在著一些抗氧化酶，可有效的清除活性氧，降低其對(duì)細(xì)胞的傷害。該實(shí)驗(yàn)選擇典型的逆境生理指標(biāo)—抗氧化酶類(lèi)，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同濃度鹽脅迫下植物體內(nèi)抗氧化酶活性的變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以使同學(xué)們對(duì)于抗氧化酶類(lèi)的作用機(jī)理及測(cè)定方法產(chǎn)生更為深刻的認(rèn)識(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是要提高學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)的能力。該次實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生從催芽、育苗開(kāi)始，同時(shí)結(jié)合植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)所學(xué)內(nèi)容配制Hoagland完全營(yíng)養(yǎng)液用于材料處理。在前期準(zhǔn)備工作完成后即可進(jìn)入逆境生理指標(biāo)的測(cè)定過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)材料處理方法也進(jìn)行了改進(jìn)。于苗期將植物材料從基質(zhì)中小心的連根取出，在操作過(guò)程中要盡量保持根部的完整性。隨后將植物材料清洗干凈后浸泡在提前配制好的含不同濃度NaCl的Hoagland完全營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行相應(yīng)的逆境脅迫處理，處理4 h后取植物葉片進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。與傳統(tǒng)對(duì)植物材料澆灌NaCl溶液的處理方法相比，此方法可以減少處理時(shí)間，降低不同材料由于處理不當(dāng)產(chǎn)生的誤差。抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性的測(cè)定則采用課程組教師多年科研實(shí)踐摸索形成的方法體系，便于操作且重復(fù)性好。同時(shí)，除了學(xué)生進(jìn)行正常的實(shí)驗(yàn)操作步驟、掌握抗氧化酶活性的測(cè)定方法外，實(shí)驗(yàn)所用藥品大部分也是在教師指導(dǎo)下由學(xué)生進(jìn)行配制。此過(guò)程可以鍛煉學(xué)生們動(dòng)手能力，加深對(duì)生理反應(yīng)的理解與掌握。此次實(shí)驗(yàn)不僅能使學(xué)生掌握研究逆境生理常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段，而且可以提高學(xué)生們對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合利用能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在同學(xué)們前期查閱大量文獻(xiàn)形成實(shí)驗(yàn)思路、動(dòng)手操作得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，結(jié)果與分析是對(duì)上述工作的很好總結(jié)與檢測(cè)。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生們按照科技論文的要求書(shū)寫(xiě)結(jié)果與分析，運(yùn)用規(guī)范化的圖表展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳盡、科學(xué)的分析。最后，要求學(xué)生結(jié)合多種生理指標(biāo)測(cè)定結(jié)果，對(duì)所選植物的耐鹽特性進(jìn)行初步總結(jié)。在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)此環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)、鍛煉，可為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)論文的書(shū)寫(xiě)奠定很好的基礎(chǔ)。

在“植物逆境生理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生可對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合利用，通過(guò)查閱文獻(xiàn)、產(chǎn)生疑問(wèn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料與用品、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理與分析等一系列過(guò)程的操作，提高學(xué)生們的科研探索精神，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，團(tuán)結(jié)協(xié)作精神以及學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。“授人以魚(yú)不如授人以漁”，“植物逆境生理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”不僅可以使學(xué)生們深入掌握植物抗逆機(jī)理及研究逆境生理的技術(shù)和方法，而且使他們學(xué)到了進(jìn)行科學(xué)研究的方法和思路，提高了他們的綜合素質(zhì)，為高水平農(nóng)科人才的培養(yǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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