減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)的研究綜述及教學(xué)建議

胡雪嬌　駱婷　徐作英　袁磊宇

摘要 通過文獻(xiàn)資料查閱及分析，綜述了蝗蟲精母細(xì)胞和植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀，并對實(shí)驗(yàn)操作方法進(jìn)行了總結(jié)、歸納。結(jié)合中學(xué)生物課堂教學(xué)存在時間短、實(shí)驗(yàn)室條件限制等問題，對材料固定、染色、壓片等部分操作步驟、試劑選擇進(jìn)行了優(yōu)化并提出了實(shí)踐教學(xué)建議，以期為中學(xué)生物減數(shù)分裂課堂教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞 減數(shù)分裂 中學(xué)生物教學(xué) 研究綜述 教學(xué)建議

中圖分類號 Q-33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

減數(shù)分裂是人教版生物《必修2·遺傳進(jìn)化》中第二章第一節(jié)內(nèi)容，是整本教材內(nèi)容的基礎(chǔ)，唯有充分理解減數(shù)分裂的過程及意義，才能有效學(xué)習(xí)和認(rèn)識生物的遺傳與進(jìn)化。在顯微鏡下，學(xué)生通過觀察減數(shù)分裂過程中各分裂相，可清晰地觀察到減數(shù)分裂過程中染色體的形態(tài)變化，深刻認(rèn)識減數(shù)分裂的動態(tài)過程。而在教材中，減數(shù)分裂的觀察實(shí)驗(yàn)僅僅是觀察蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂的固定裝片，雖能滿足教學(xué)要求，但缺乏對學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)，欠缺實(shí)驗(yàn)方法及詳細(xì)的操作步驟。

關(guān)于減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)的方法和操作步驟以及減數(shù)分裂圖像的識別和解說有眾多的文獻(xiàn)研究和報(bào)道，這其中包括動物精母細(xì)胞（主要是蝗蟲精母細(xì)胞）和植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂的觀察及解說。這些實(shí)驗(yàn)操作步驟、方法及分裂相的解說皆是中學(xué)減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的參考基礎(chǔ)。下面通過文獻(xiàn)查閱，綜述減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)和優(yōu)缺點(diǎn)，為中學(xué)減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐提供建議。

1實(shí)驗(yàn)材料

中學(xué)生物教材中選取蝗蟲作實(shí)驗(yàn)材料，其原因在于蝗蟲染色體數(shù)目較少，染色體較大，且雄性蝗蟲在繁殖期處于分裂相的細(xì)胞多，易于學(xué)生觀察。且當(dāng)前減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)的動物取材也主要是蝗蟲，其研究觀察和優(yōu)化改進(jìn)多是針對不同品種的蝗蟲，如徐根娣等便指出10月～11月捕捉的稻蝗可大大提高實(shí)驗(yàn)的成功率。在大學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，蝗蟲品種則多為東亞飛蝗，東亞飛蝗的捕捉時間也主要集中在8月中旬繁殖旺盛時期。

相比于動物精母細(xì)胞減數(shù)分裂觀察研究材料選擇的單一性，植物取材則種類較多，有玉米、芹菜、龍眼、澳洲堅(jiān)果、荔枝等。沈素香等更是比較了常見大田作物、蔬菜和花卉植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂時期植株莖葉、花序、花藥等的特征，方便取材時間及部位的確定。

2減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)操作步驟的研究綜述及教學(xué)建議

減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)的主要操作步驟有：材料固定→取材→軟化→染色→壓片→鏡檢。因植物細(xì)胞具有細(xì)胞壁，其伸縮性弱，在植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂的實(shí)驗(yàn)中多用酶或酸軟化細(xì)胞壁。實(shí)驗(yàn)觀察效果的好壞主要在于染色體制片，涉及到材料選取、染色液的選用和染色時間、壓片方法等。

2.1蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)的制片與觀察

2.1.1材料固定

蝗蟲（雄性）精巢的固定：沿蝗蟲胸腹部中間從頭部向尾部端剪開，用小鑷子將體壁外深黃色的精巢夾出放入低滲液或蒸餾水中5～10min，轉(zhuǎn)入卡諾氏固定液固定8～12h。

針對低滲液、固定液以及固定時間，不同的研究各有差異，如選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的KCl溶液則低滲30min即可；徐根娣等選用卡諾氏固定液固定時間在10～24h；陶紅梅等選用甲醇：冰乙醇=3：1的比例固定液固定時間在8～12h。材料固定后，轉(zhuǎn)至體積分?jǐn)?shù)為75%酒精中置于4℃冰箱保存。

在中學(xué)課堂中，教學(xué)時間的限制不可能讓學(xué)生完成固定操作；因此，材料固定多由教師進(jìn)行。取出精巢固定亦或是使用秋水仙素、離心等實(shí)驗(yàn)操作后期存在不易分發(fā)材料、操作費(fèi)時、設(shè)備條件不足等問題。因此，教學(xué)實(shí)踐中，教師在材料處理中，自己捕捉或購買的蝗蟲可直接放于卡諾氏固定液中固定10～24h后，移至體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精中，再放于4℃冰箱保存。

2.1.2取材及染色

蝗蟲曲細(xì)精管存在3個不同區(qū)域，分為分裂區(qū)（本文定義）、轉(zhuǎn)化區(qū)、精巢管柄。對此，劉夢豪等在取材制片中切去轉(zhuǎn)化區(qū)以增加精母細(xì)胞的密度，避免成熟精子對精母細(xì)胞的稀釋作用。徐根娣等就此也提出三段或兩端取材法。染色液的選擇主要有Giemca染液（pH為6.8）、醋酸洋紅染色液、醋酸地衣紅染色液等。劉夢豪等研究指出：醋酸地衣紅染色15min左右效果最好。

在具體的操作步驟中，1條蝗蟲曲細(xì)精管猶如一小截頭發(fā)絲。因而，對于“先取材后染色”和“先染色后取材”，徐根娣等提出整體染色較為適用于中學(xué)教學(xué)課堂。在教學(xué)實(shí)踐中，建議“取材染色”的具體操作為：取整個精巢于加有醋酸地衣紅染色液的染色盤中，染色10～15min，然后用鑷子或解剖針挑取2～3個曲細(xì)精管于加有1～2滴染色液的載玻片中央，再進(jìn)行染色3～5min，蓋上蓋玻片，同時覆上吸水紙進(jìn)行壓片。

2.1.3壓片

壓片是通過施加壓力使細(xì)胞在染色液中鋪展開來，有利于染色體的分散和觀察，較成熟實(shí)用的操作是：左手拇指或食指壓住蓋玻片左側(cè)予以固定，防止蓋玻片滑動，用鉛筆頭等對準(zhǔn)材料處輕敲，材料標(biāo)本呈霧狀即可。

2.1.4鏡檢及分裂相的識別

蝗蟲精母細(xì)胞減數(shù)分裂過程的觀察屬操作簡單但解讀十分復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，正確有效地判斷顯微鏡下染色體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)是檢驗(yàn)試驗(yàn)是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。減數(shù)分裂過程中，各分裂期（前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、間期Ⅱ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ）圖像的判斷僅依靠教材的模式圖像遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不少文獻(xiàn)均附圖解讀各個分裂相；劉夢豪等附圖及說明較全面，具有較高的參考價值，可作為中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)資料。此外，多看、多對比、多做是熟練實(shí)驗(yàn)操作和圖像識別的不二途徑。

2.2植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂的制片與觀察

2.2.1材料固定

植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)操作中，材料固定通常是將植株整個花序置于卡諾氏固定液中，固定時間常在24～48h；固定后的花序置于體積分?jǐn)?shù)為70%的酒精中，保存于4℃冰箱中備用。

2.2.2軟化

軟化操作是為除去或軟化細(xì)胞壁，利于壓片中細(xì)胞的分散、鋪展。軟化方法有：①混合酶液（5%纖維素酶：5%果膠酶=1：1）于28～30%酶解5h；②體積分?jǐn)?shù)為50%的乙酸溶液中軟化1～2d。軟化如同植物根尖細(xì)胞有絲分裂觀察實(shí)驗(yàn)中的解離，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可嘗試選用體積分?jǐn)?shù)為8%的HCl溶液解離5～10min，以縮短操作等待的時間。

2.2.3染色與壓片

植物花序或小花（3～5個）在載玻片上軟化后即可滴加染液進(jìn)行染色、壓片。植物花粉母細(xì)胞位于花藥中部，外圍包裹數(shù)層藥壁細(xì)胞，若不將花藥搗碎，則不利于觀察到單個花粉母細(xì)胞的分裂狀態(tài)。因此，染色壓片前必須將花藥搗碎，使花粉母細(xì)胞充分染色及鋪展分散開。

對染色液的選擇，有改良卡寶染色液、Giemsa染色液、醋酸洋紅染色液、乙酸一鐵礬蘇木精染色液等。依據(jù)中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，中學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐以選用配置簡單的醋酸洋紅、醋酸地衣紅染色液為佳。

結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料描述，建議中學(xué)課堂可采用的“染色、壓片”操作為：向軟化后的花藥（或小花）處滴加1～2滴醋酸洋紅或地衣紅染色液，并用鑷子或解剖針將花藥壓碎，染色5～10min，蓋上蓋玻片；用左手拇指或食指壓住蓋玻片左側(cè)，用鉛筆頭等輕敲予以壓片；用吸水紙吸去多余染色液后即可鏡檢觀察。

2.2.4鏡檢觀察和分裂相的識別

植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂過程劃分為：前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、間期Ⅱ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ、四分體時期。四分體時期指植物小孢子母細(xì)胞分裂后4個子細(xì)胞由胼胝體包在一起形成。四分體時期以及細(xì)胞板是區(qū)分動、植物細(xì)胞減數(shù)的重要特征。但高效、準(zhǔn)確判斷分裂細(xì)胞處于哪一個分裂期，還需大量的參考、對比，僅依靠教材提供的模式圖像遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。建議中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中，可參考孔廣紅等對澳洲堅(jiān)果花粉母細(xì)胞、劉麗琴等對荔枝和龍眼花粉減數(shù)分裂、趙冬等對芹菜花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)研究中附圖及說明進(jìn)行各分裂相的識別。

3總結(jié)與反思

3.1中學(xué)生物減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐建議

通過文獻(xiàn)資料查閱及分析，關(guān)于減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)和介紹的文獻(xiàn)研究，尤其是分裂相的識別和解說是中學(xué)生物課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要參考。但將這些方法完全應(yīng)用于中學(xué)生物課堂存在操作復(fù)雜、難度大等問題；同時，課堂教學(xué)時間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件也是重要的限制因素。如陶紅梅等提出的“活體注射秋水仙素、細(xì)胞懸液滴片”等方面的改進(jìn)根本不適合完全照搬進(jìn)入中學(xué)課堂，此方法雖能使制片干凈、圖像清晰，但在中學(xué)40min的教學(xué)時間內(nèi)學(xué)生基本不可能完成全部實(shí)驗(yàn)操作。對此，筆者結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對當(dāng)前文獻(xiàn)研究中的實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行了總結(jié)和部分優(yōu)化并給予相關(guān)教學(xué)建議（表1、表2），以給中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)提供更詳細(xì)的參考和指導(dǎo)。

3.2中學(xué)生物減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的探究方向

相比動物精母細(xì)胞通過縊縮方式完成分裂后兩個子細(xì)胞往往“各奔東西”而言，植物花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中形成四分體，更有利于學(xué)生對減數(shù)分裂各時期的判斷。同時，經(jīng)過植物根尖細(xì)胞有絲分裂實(shí)驗(yàn)觀察的操作，利用植物花粉母細(xì)胞進(jìn)行中學(xué)生物減數(shù)分裂的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在操作、圖像識別上有一定基礎(chǔ)，可稍微降低實(shí)驗(yàn)難度。在當(dāng)前研究中，并無相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道植物材料在中學(xué)減數(shù)分裂課堂教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用及探究，缺乏教學(xué)實(shí)踐的參考資料。因此，結(jié)合文獻(xiàn)資料及研究成果，是利用植物花粉母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂觀察實(shí)驗(yàn)總結(jié)和改進(jìn)出適用于中學(xué)生物課堂的操作方法首要探究方向。

在相對成熟的實(shí)驗(yàn)操作方法和分裂相識別解說條件下，實(shí)驗(yàn)材料的選擇是中學(xué)生物減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)有效開展的關(guān)鍵點(diǎn)。選擇不同材料進(jìn)行中學(xué)減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐是今后教學(xué)研究工作中的一大探究方向。此外，同為細(xì)胞分裂，減數(shù)分裂比有絲分裂，染色體形態(tài)變化更加復(fù)雜、分裂相的識別更難。如何加強(qiáng)學(xué)生對顯微鏡下實(shí)體圖像的判斷，正確區(qū)分有絲分裂及減數(shù)分裂是一大教學(xué)難點(diǎn)，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究的重要方向。

減數(shù)分裂的動物取材主要是蝗蟲，利用蝗蟲精母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂實(shí)驗(yàn)的觀察已形成較成熟的操作方法和圖像解說；除正確取材、壓片等操作要求外，減數(shù)分裂實(shí)踐教學(xué)的重難點(diǎn)在于分裂圖像的識別。因此，利用蝗蟲精母細(xì)胞進(jìn)行中學(xué)生物減數(shù)分裂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究方向在于進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作，縮短實(shí)驗(yàn)制片時間，以留足時間進(jìn)行鏡檢觀察。