檢測小麥不同發(fā)育階段主要有機物的含量變化

白景維 張永鑫 趙京秋

（1 北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué) 北京 100088 2 北京市西城區(qū)教育研修學(xué)院 北京 100000）

1 設(shè)計思想

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》提出的生物學(xué)核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、 理性思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任4 個方面。其中科學(xué)探究包括： 發(fā)現(xiàn)生物學(xué)問題， 針對生物學(xué)現(xiàn)象進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案設(shè)計及結(jié)果的交流與討論，樂于并善于團隊合作，在科學(xué)探究過程中理性思維和思辨能力是貫穿其中的精髓， 思維能力需要在解決問題中得到不斷訓(xùn)練才能提高。 在學(xué)習(xí)必修1《分子與細胞》模塊中“細胞的物質(zhì)組成和新陳代謝”內(nèi)容后，若能通過設(shè)計一系列實驗，以研究性學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生運用所學(xué)到的檢測細胞內(nèi)淀粉、還原糖、蛋白質(zhì)含量的靜態(tài)檢測方法即顏色反應(yīng)， 研究一種植物發(fā)育過程中一些有機物含量的動態(tài)變化， 學(xué)生不但可以真正領(lǐng)悟?qū)嶒灧椒ǖ膽?yīng)用價值， 更能深入思考新陳代謝中各種有機物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系， 進一步理解細胞呼吸在新陳代謝中的中心地位。

2 實驗原理

小麥在萌發(fā)過程中籽粒只從環(huán)境中吸收水分，其他營養(yǎng)物質(zhì)主要來自胚乳。胚乳中的淀粉在淀粉酶作用下逐步分解為麥芽糖、 葡萄糖等小分子物質(zhì)，再轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、核酸等生長必需的有機營養(yǎng)物質(zhì)用于生長發(fā)育。 不同萌發(fā)階段物質(zhì)轉(zhuǎn)化的程度不同， 可用定期取樣的方法檢測并比較不同萌發(fā)階段淀粉、還原糖、蛋白質(zhì)含量的變化，從而推測小麥萌發(fā)中物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的過程， 初步探索小麥萌發(fā)過程的一些生理變化。

3 實驗材料、試劑及用具

實驗材料選擇色澤均勻飽滿萌發(fā)率較高的小麥。 實驗試劑包括本尼迪特試劑（或斐林試劑）、雙縮脲試劑、碘液、蘇丹Ⅲ、酒精。 實驗用具包括培養(yǎng)皿、研缽、水浴鍋、顯微鏡、天平、試管、量筒、玻片、容量瓶等。

4 實驗過程

4.1 培養(yǎng)小麥 在培養(yǎng)皿底部平鋪一層脫脂棉，充分加水浸濕，將小麥相間等距碼放其上，并標記組別和日期，注意每天換水。

4.2 隨機取樣及檢測 選取萌發(fā)0 h（萌發(fā)前）、2 h、4 h、6 h、8 h、24 h 至第4天不同時間的小麥，隨機取100 粒為一個樣本，每個時期取2～3 個樣本稱量（分離籽粒和幼苗分別稱量），在籽粒中加入50 mL 蒸餾水研磨過濾，并將濾液定容后檢測有機物含量。

5 實驗結(jié)果

5.1 稱重結(jié)果 表1為每100 粒小麥籽粒不同萌發(fā)時間的鮮重和干重記錄， 圖1為依據(jù)表1 繪制的曲線圖。

表1 每100 粒小麥籽粒不同萌發(fā)時間的鮮重和干重（g）

圖1 每100 粒小麥籽粒在不同萌發(fā)時間鮮重與干重

實驗結(jié)果表明： 隨著根苗鮮重的增加整株鮮重也在增加，且二者增加趨勢基本一致。這表明根苗鮮重是整株植物鮮重增加的主要因素， 植物在旺盛生長。 與此同時，整株干重卻在逐漸減少，說明水分的增加是主要原因， 這里正好呼應(yīng)了后面檢測出還原糖和蛋白質(zhì)量的增加， 提高了細胞內(nèi)的滲透壓，增加了吸水能力，但同時由于細胞呼吸作用的提高，消耗了有機物使得干重下降。

5.2 不同時期小麥籽粒中的淀粉、還原糖、蛋白質(zhì)的檢測結(jié)果 從小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與碘液反應(yīng)的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)萌發(fā)0 h（萌發(fā)前）、2～8 h 的浸出液與碘液產(chǎn)生的藍色幾乎沒有區(qū)別，說明在此期間籽粒中淀粉含量均很多，到第2天（48 h）后深紫色逐漸變淺至灰淺藍色，說明淀粉含量下降。 有條件的學(xué)校若能使用分光光度計效果會更好， 但用肉眼辨別顏色也能觀察出一定趨勢（圖2、表2）。

圖2 小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與碘液反應(yīng)結(jié)果

表2 小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與碘液反應(yīng)結(jié)果

表3 小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與本尼迪特試劑反應(yīng)結(jié)果

小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與本尼迪特試劑反應(yīng)結(jié)果，從浸泡5 h 后還原糖的量明顯增加，48 h 后的檢測結(jié)果說明還原糖的含量已經(jīng)很高，試管中出現(xiàn)顯著的紅黃色沉淀， 第4 天后紅黃色開始有所下降，但是依然顏色很濃（圖3、表3）。

圖3 小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與本尼迪特試劑反應(yīng)結(jié)果

小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與雙縮脲試劑反應(yīng)結(jié)果，從第2 天起蛋白質(zhì)檢測量明顯增加，對照還原糖的含量變化，2 種物質(zhì)檢測量存在此消彼長的呼應(yīng)關(guān)系， 也能引發(fā)學(xué)生思考二者在代謝方面的關(guān)系，因為小麥籽粒中還原糖和蛋白質(zhì)，最終都要轉(zhuǎn)移到幼苗中，所以第4 天后含量都會下降。再有這里只能檢測到可溶性蛋白質(zhì)的含量變化，對于籽粒中大量的不可溶蛋白無法檢測， 但可溶性蛋白質(zhì)的含量變化也與還原糖的含量變化存在對應(yīng)關(guān)系（圖4、表4）。

圖4 小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與雙縮脲試劑反應(yīng)結(jié)果

表4 小麥不同萌發(fā)期籽粒浸出液與雙縮脲試劑反應(yīng)結(jié)果

5.3 顯微鏡觀察結(jié)果 選取有代表性發(fā)育階段制作小麥籽粒橫切，先用蘇丹Ⅲ后用碘液套染，再用50%酒精洗去浮色， 制成臨時切片顯微鏡觀察，結(jié)果見圖5。 萌發(fā)0 天（萌發(fā)前）的小麥細胞排列緊密， 胚乳中有成塊的被碘液染成紫色的淀粉塊，糊粉層細胞清晰可見，珠心層被蘇丹Ⅲ染成橘黃色。 萌發(fā)第4 天的小麥切片中可觀察到胚乳中的淀粉是從塊狀結(jié)構(gòu)邊緣開始水解的， 淀粉塊之間有了較大的空隙， 使得糊粉層分泌的淀粉酶與淀粉接觸面積更大，水解速度更快，對照前面的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)此時正是淀粉被迅速水解的時期，胚乳中淀粉塊的這種結(jié)構(gòu)既有利于大量儲存淀粉，又能在需要的時候迅速水解。

圖5 示糊粉層細胞和胚乳中的淀粉粒

6 本實驗設(shè)計的優(yōu)點

1）實驗材料選擇有優(yōu)勢。 選擇小麥為做實驗材料容易獲得，籽粒大小適中易于觀察，培養(yǎng)條件易于控制可以隨時進行，不受氣候條件的限制，非常有利于教師安排教學(xué)。

2）實驗用試劑易配置。本實驗使用的試劑都是必修1 教材中實驗所用， 不需要額外添加新的試劑，實驗的操作過程也相對簡單，學(xué)生很容易掌握。

3）本實驗還具有拓展和延伸的空間。本實驗不但可以設(shè)計為一節(jié)新授課， 也可設(shè)計為一節(jié)復(fù)習(xí)課，還可以設(shè)計為研究性學(xué)習(xí)或課外實踐活動。 既可突出實驗操作，也可重點訓(xùn)練學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)的能力。 就實驗設(shè)計思路而言，本實驗也是從定性分析到定量分析的好案例，同時也是使用靜態(tài)的研究手段定量研究動態(tài)的發(fā)育和物質(zhì)代謝的好案例。

7 教學(xué)建議

7.1 指導(dǎo)學(xué)生提出可研究的問題 問題是思考的鑰匙，研究性學(xué)習(xí)初始，中學(xué)生提不出問題，后續(xù)又會提出一些無法深入的淺顯問題，或看似“高大上”但在邏輯上站不住腳的“假問題”。 在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)過一些訓(xùn)練，學(xué)生會逐漸從眾多的問題中， 聚焦到有一定科學(xué)價值的問題。 在此過程中， 學(xué)生能體會到什么樣的問題是可以繼續(xù)研究的有價值的問題。例如就本實驗而言，學(xué)生提出以下問題：①為什么有的小麥不萌發(fā)？②小麥的萌發(fā)率如何？③整株鮮重為什么會逐漸變重？同時整株干重逐漸變輕了？ ④為什么小麥的籽粒逐漸變軟變癟了？

不萌發(fā)的小麥大部分是因胚是死亡的， 學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了用染色法鑒別種子的死活，凡胚能被墨水染色的都是死種子， 所以問題①似乎一句話就能回答不能深入研究。 問題②經(jīng)過一定的統(tǒng)計也能比較容易得出結(jié)果， 染色法也可以預(yù)估萌發(fā)率， 但僅僅知道了萌發(fā)率也難以深入研究其他的生理變化。問題③似乎就題論題。但若結(jié)合問題④就可以提出比較適合于學(xué)生研究的問題，即：為什么小麥萌發(fā)過程中干物質(zhì)減少籽粒變癟，但同時鮮重在增加？只用“因為種子萌發(fā)過程中吸收了水分”不能很好解釋變化的原因。顯然這樣的問題學(xué)生要經(jīng)過比較復(fù)雜的思考后才能回答，而思考中必然要運用已有的知識和方法技能。

7.2 指導(dǎo)學(xué)生嘗試回答自己的問題 有了能深入研究的問題，再嘗試回答自己的問題，推測引起問題可能的原因，是更深層次的思維訓(xùn)練過程，這就是提出假設(shè)的過程。假設(shè)必定要符合一定邏輯、符合已有的規(guī)律，不是漫無邊際的猜想；同時，提出的假設(shè)要能通過實驗證明。 例如有的學(xué)生推測干重下降的原因是：種子萌發(fā)過程需要大量能量，呼吸作用消耗了有機物所以使干物質(zhì)含量下降，并設(shè)計了“用放射性同位素標記淀粉中的碳原子，觀察小麥呼吸產(chǎn)生的CO2是否有放射性”的實驗思路。顯然設(shè)計思路沒有問題，但是如何標記淀粉中的碳原子？從操作層面上分析，這個實驗在中學(xué)的實驗室中是不易實現(xiàn)的。

此時，教師可引導(dǎo)學(xué)生換一個角度思考問題，即種子萌發(fā)過程中， 種子中貯存的有機物會分解成小分子物質(zhì)， 可以通過檢測底物與生成物含量的變化，分析種子萌發(fā)過程中的物質(zhì)變化?；谝陨戏治?，啟發(fā)學(xué)生提出一個可以進行驗證的假設(shè)，例如：小麥籽粒萌發(fā)過程中，呼吸作用主要分解的是胚乳中的淀粉，在種子萌發(fā)前、后淀粉的含量會逐漸減少，還原性糖的量會逐漸增加。這樣就能引導(dǎo)學(xué)生用學(xué)過的實驗方法證明上述推斷是否正確。 小麥籽粒中不僅有淀粉，還含有麥芽糖、葡萄糖和蛋白質(zhì)等， 都能參與呼吸作用為萌發(fā)過程供能， 同時檢測這些物質(zhì)含量的變化會發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律性的變化，讓學(xué)生再用已有的知識進行解釋，學(xué)生能體會實驗設(shè)計的魅力， 巧妙的設(shè)計可讓學(xué)生使用相對簡單的方法就能發(fā)現(xiàn)事物背后的規(guī)律（這一點在教材中介紹的許多經(jīng)典實驗都有體現(xiàn)）。 學(xué)生從理解知識提高到應(yīng)用知識解決問題，這是一個質(zhì)的飛躍。

8 總結(jié)

本案例采用定期取樣的方法研究生長發(fā)育的過程， 以靜態(tài)的物質(zhì)檢測方法研究動態(tài)的生長發(fā)育過程， 通過簡單的實驗手段揭示更豐富的生命活動規(guī)律，在一個真實的研究背景中，讓學(xué)生體會用實驗的方法研究生命活動的真實過程，體驗“小實驗大道理”，也給教師提供了細胞結(jié)構(gòu)、新陳代謝、植物生理等多個切入點，幫助學(xué)生建立自己的知識網(wǎng)。