用葉圓片法測(cè)算紅薯葉的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)

易任遠(yuǎn) 曾 峰

（1.湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 410006）

（2.湖南省教育科學(xué)研究院 湖南長(zhǎng)沙 410005）

1 前言

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，也是人教社2019年版生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》中第五章第四節(jié)的內(nèi)容。教材中的方案將裝有葉圓片的燒杯放在強(qiáng)、中、弱3種光照下，比較同一時(shí)間段內(nèi)各燒杯中葉圓片浮起的數(shù)量。在實(shí)際操作過(guò)程中，強(qiáng)光照下的兩組葉圓片盡管所在的燒杯有一定的距離，浮起的時(shí)間段也會(huì)非常集中，而中、弱光照下，離光源越遠(yuǎn)的葉圓片浮起的越晚。這個(gè)現(xiàn)象引起了筆者的注意，于是和學(xué)生一起用量化分析、數(shù)學(xué)建模的方法，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了深度探究。

2 材料與方法

2.1 材料和試劑

菜市場(chǎng)購(gòu)買的紅薯葉、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的碳酸氫鈉溶液。

2.2 儀器

100 W白熾臺(tái)燈、數(shù)字照度計(jì)、Li-6400便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)時(shí)器、打孔器、20 mL注射器、50 mL燒杯。

2.3 方法

2.3.1 光合曲線的繪制

實(shí)驗(yàn)室溫為22℃。取12個(gè)50 mL燒杯，各加入20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的碳酸氫鈉溶液，如果燒杯規(guī)格不一，應(yīng)配平至同一高度。打開(kāi)臺(tái)燈，將盛有碳酸氫鈉溶液的燒杯放在照度計(jì)上，找到光照強(qiáng)度為6 250、5 800、4 500、3 500、3 000、2 500、2 000、1 500、1 300、1 000、800、0 lx的點(diǎn)，并用標(biāo)簽紙做好標(biāo)記，將燒杯放在上面，注意避免燒杯前后的陰影遮擋，然后關(guān)閉臺(tái)燈。用直徑為6 mm的打孔器在生長(zhǎng)旺盛的紅薯葉上打出72個(gè)葉圓片，盡量避開(kāi)葉脈。將葉圓片分批置于20 mL注射器內(nèi)，吸入蒸餾水后，用手指堵住注射器前端的小孔并拉動(dòng)活塞，使葉圓片內(nèi)的氣體溢出，重復(fù)2～3次，使葉圓片全部沉到水底。將葉圓片放入盛有碳酸氫鈉溶液的燒杯中，每個(gè)燒杯放6片。打開(kāi)臺(tái)燈的同時(shí)，用計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄每一個(gè)葉圓片從燒杯底部浮起到液面需要的時(shí)長(zhǎng)。記錄完成后，求出每個(gè)燒杯中6個(gè)葉圓片浮起需要的平均時(shí)長(zhǎng)。因?yàn)閮艄夂纤俾试娇?，葉圓片積累氧氣的速率越快，葉圓片浮起的時(shí)長(zhǎng)也就越短，因此凈光合速率和浮起時(shí)長(zhǎng)成反比關(guān)系，可以用浮起時(shí)長(zhǎng)的倒數(shù)體現(xiàn)凈光合速率。最后以光照強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，平均浮起時(shí)長(zhǎng)的倒數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制出光合曲線，計(jì)算光飽和點(diǎn)，再對(duì)飽和點(diǎn)前段的線性區(qū)間進(jìn)行線性擬合，計(jì)算出光補(bǔ)償點(diǎn)。2.3.2 光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)的檢驗(yàn)

選取生長(zhǎng)旺盛的紅薯枝條，插在水中。用便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)的傳感器夾住其中的一片葉子。待氣孔導(dǎo)度、光合速率等數(shù)值穩(wěn)定后，設(shè)置程序，測(cè)量室溫和大氣二氧化碳濃度下紅薯葉的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)（圖1）。然后與葉圓片法測(cè)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 光合曲線的繪制

表1為不同光照強(qiáng)度下葉圓片浮起時(shí)間的測(cè)量結(jié)果。其中對(duì)照組0 lx的燒杯中無(wú)葉圓片浮起，說(shuō)明葉圓片的浮起并不是由呼吸作用積累的二氧化碳導(dǎo)致。光照強(qiáng)度和凈光合速率做出的光合曲線為圖2，可以得出光飽和點(diǎn)在5 000 lx左右。對(duì)800～2 500 lx之間光照強(qiáng)度的凈光合速率進(jìn)行線性擬合，其表達(dá)式為y=0.000 9x-0.205 2，線性系數(shù)R=0.992 02，線性關(guān)系較好。設(shè)y=0，可以計(jì)算出光補(bǔ)償點(diǎn)約為278 lx。

表1 不同光照強(qiáng)度下葉圓片的浮起時(shí)間

3.2 光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)的檢驗(yàn)

用便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得紅薯葉光補(bǔ)償點(diǎn)為4.18 μmol/（m2·s），光飽和點(diǎn)為744.04 μmol/（m2·s）。μmol/（m2·s）是光量子通量密度的單位，是單位時(shí)間照射于光合作用表面的有效輻射（400～700 nm）的光量子數(shù)。根據(jù)林植芳等的白熾燈光照強(qiáng)度和光量子通量密度換算公式得出，測(cè)得的紅薯葉光補(bǔ)償點(diǎn)為177 lx，飽和點(diǎn)為309 50 lx。葉圓片法得出的結(jié)果和測(cè)得的結(jié)果相比，光補(bǔ)償點(diǎn)相接近，但葉圓片法的光補(bǔ)償點(diǎn)偏大；光飽和點(diǎn)差距較大，葉圓片法的光飽和點(diǎn)遠(yuǎn)小于光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果差異的分析

造成這一差異的原因主要是兩種方法的二氧化碳來(lái)源不同。菜市場(chǎng)購(gòu)買的紅薯葉已經(jīng)離體一段時(shí)間，用便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得其氣孔導(dǎo)度僅為0.01 mol H2O/（m2·s），基本處于關(guān)閉的狀態(tài)，其原因是葉片缺水，脫落酸的濃度升高，導(dǎo)致了氣孔關(guān)閉。再制成葉圓片，抽去氣體，放入碳酸氫鈉溶液后，碳酸氫鈉只能通過(guò)葉圓片切口處的細(xì)胞間隙進(jìn)入植物細(xì)胞，再由植物細(xì)胞內(nèi)含有的碳酸酐酶將碳酸氫根離子轉(zhuǎn)化為二氧化碳，供葉圓片進(jìn)行光合作用。

用便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)前，先要將紅薯枝條插在水中培養(yǎng)一段時(shí)間。由于測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)探測(cè)二氧化碳的消耗量來(lái)計(jì)算光合速率，因此需要等氣孔導(dǎo)度、光合速率等數(shù)值穩(wěn)定后才能開(kāi)始測(cè)量。在這個(gè)過(guò)程中,紅薯葉通過(guò)吸水降低脫落酸濃度，逐漸解除了脫落酸的影響，最終氣孔導(dǎo)度穩(wěn)定在了0.35 mol H2O/（m2·s）左右。通過(guò)氣孔直接吸收大氣中的二氧化碳顯然比通過(guò)碳酸酐酶將滲入細(xì)胞間隙的碳酸氫根轉(zhuǎn)換成二氧化碳再吸收要快很多，因此葉圓片法中葉肉細(xì)胞的能利用的二氧化碳濃度相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量要低很多。在二氧化碳濃度尚未達(dá)到二氧化碳飽和點(diǎn)前，如果二氧化碳濃度升高，則暗反應(yīng)所能達(dá)到的最大速率增大，消耗NADPH和ATP增多。此時(shí)，需要更強(qiáng)的光照才能與最大的暗反應(yīng)速率實(shí)現(xiàn)同步，即能吸收更強(qiáng)的光照達(dá)到一個(gè)更大的光合速率，因此光飽和點(diǎn)向右移動(dòng)。而呼吸作用強(qiáng)度并不受光照強(qiáng)度影響，所以較低光照強(qiáng)度就能達(dá)到與呼吸速率相等，光補(bǔ)償點(diǎn)左移。

4 討論

紅薯葉是南方常見(jiàn)的蔬菜，葉子的質(zhì)地較菠菜更硬，更適合打孔。筆者曾嘗試過(guò)用更高濃度的碳酸氫鈉，但碳酸氫鈉質(zhì)量濃度達(dá)到4%時(shí)，因?yàn)槿芤好芏扰c葉圓片密度相近，葉圓片無(wú)法沉到溶液底部，這與譚潔敏等的結(jié)果一致；也嘗試過(guò)用稀釋的無(wú)糖碳酸飲料作為二氧化碳來(lái)源，但在0 lx的黑暗條件下，葉圓片因?yàn)樘妓岱纸庑纬傻亩趸几街诒砻嫔隙∑?，影響了?shí)驗(yàn)結(jié)果。還嘗試過(guò)直接利用水中的二氧化碳的沉水植物，如黑藻、苦草、眼子菜等作為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)排水法測(cè)量不同光強(qiáng)下氧氣的產(chǎn)生量。雖然也可以擬合出光合曲線。算出光補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)，但這個(gè)方法至少需要1 h才能出現(xiàn)明顯的、可供分析的現(xiàn)象，而且也沒(méi)有專用于研究水生植物光合特性的水下調(diào)制熒光儀進(jìn)行驗(yàn)證。

本實(shí)驗(yàn)中葉圓片法和便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量法相比，需要通過(guò)記錄每一個(gè)葉圓片的浮起時(shí)長(zhǎng)，求出均值，然后進(jìn)行擬合，消減簡(jiǎn)陋條件帶來(lái)的誤差。葉圓片法實(shí)驗(yàn)成本低，，而光合測(cè)量系統(tǒng)則成本較高。因此用葉圓片法繪制光合曲線，測(cè)算光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)適合在高中生物實(shí)驗(yàn)中因陋就簡(jiǎn)地開(kāi)展。就結(jié)果來(lái)說(shuō)，兩種方法測(cè)得的光補(bǔ)償點(diǎn)相接近，但飽和點(diǎn)差異較大。如果教師能將有差異的結(jié)果展示給學(xué)生，以氣孔導(dǎo)度、二氧化碳來(lái)源的差異作為線索，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組討論進(jìn)行分析推理、歸納表達(dá)，教師再對(duì)學(xué)生表達(dá)的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生可以在這個(gè)過(guò)程中進(jìn)一步加深環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的理解，培養(yǎng)歸納概括、邏輯推理的科學(xué)思維，進(jìn)一步發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

本研究通過(guò)量化光照強(qiáng)度，對(duì)葉圓片的浮起時(shí)長(zhǎng)定量分析，以葉圓片浮起時(shí)長(zhǎng)的倒數(shù)代表凈光合速率，再通過(guò)數(shù)學(xué)建模繪制出光合曲線，可以得出在一定范圍內(nèi)，紅薯葉圓片的光合速率隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而加快的結(jié)論。教師將定量分析引入實(shí)驗(yàn)中，有助于學(xué)生在真實(shí)情境下對(duì)光合曲線、光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)等重要概念的構(gòu)建，完成對(duì)光合作用中物質(zhì)與能量觀的理解和遷移。