气孔开闭机理的实验探究
时间：2022-09-23 11:09:13
摘 要 气孔是植物进行呼吸作用、光合作用及蒸腾作用等气体代谢活动时气体的通道。气孔运动的无机离子吸收学说认为，气孔的开闭同ATP酶—H+泵和离子的运输有关。根据这一原理设计了一个适合高中生的探究气孔开闭机理的拓展性实验，意在促进学生对气孔结构和开闭机理的认识，从而更好地理解气孔在植物光合作用、呼吸作用以及蒸腾作用等气体交换过程中的作用。
关键词 气孔 保卫细胞 开闭机理 探究
中图分类号 G633.91 文献标识码 B
气孔是高等陆生植物表皮所特有的结构，是植物表皮上两个保卫细胞及其围绕形成的空隙的总称。气孔在植物的呼吸作用、光合作用以及蒸腾作用等气体代谢过程中作为空气和水蒸气的通道，通过保卫细胞的开闭运动调节气体的通过量，在生理上具有重要的意义。现阶段我国各版本的高中生物学教材不具有专门介绍气孔开闭机理的章节，但是教师在讲解植物光合作用、呼吸作用以及蒸腾作用等原理及过程方面的内容时都会涉及到气体交换的知识。根据这一教材编制的现状，作者设计了探究气孔开闭机理的拓展性实验，目的在于，学生通过这个简单的实验能够对气孔的结构及其开闭机理有个全面的认识，有助于学生更好的理解植物光合作用、呼吸作用以及蒸腾作用等过程中气体的交换。
1 实验原理
气孔的开闭与保卫细胞的水势有关，保卫细胞水势下降吸水膨胀，气孔张开；水势上升失水缩小，气孔关闭。气孔运动的无机离子吸收学说认为，在光照条件下，保卫细胞质膜上的H+—ATP酶被激活，水解ATP使H+分泌出保卫细胞，形成跨膜H+电化学势梯度，驱动K+从周围细胞通过K+通道进入保卫细胞，引起保卫细胞水势下降，吸水膨胀，气孔开放。
2 实验材料
2.1 植物
新鲜的蚕豆叶采摘后黑暗处理1 h开始实验。
2.2 器材
铝箔、100 mL烧杯、pH试剂、显微镜、载玻片和盖玻片、吸管、刀片。
2.3 试剂
pH为7的KCl溶液（3.7 g/500 mL）、pH为4.5的KCl溶液（取pH为7的KCl溶液用HCl调节pH到4.5）、pH为7的NaCl溶液（0.58 g/100 mL）。
3 实验步骤
3.1 设置实验组
设计4个实验组，如表1所示。
3.2 处理材料
将黑暗处理1 h后，同一植株上大小相似的健康叶片分别放置到盛有配置好的溶液的烧杯中，每组放置三片。将A、C、D三组放置到阳光下，将B组用铝箔包裹烧杯外壁，将其放置于黑暗中。
3.3 制片观察与记录
处理完毕后用镊子撕下蚕豆叶的下表皮，分别制作临时装片，每组制作三片。接着，利用显微镜观察装片，先在10倍镜下选取视野，后放大到40倍镜下统计气孔的开闭状况。每个装片分别统计6个视野，记录完全开放、半开放以及关闭的气孔数。
3.4 数据处理
分别统计每组完全开放、半开放以及关闭的气孔数的比例，制图分析结果。
4 实验结果与分析
4.1 实验结果
实验观察结果案例展示如图2、图3所示。
统计气孔的开闭情况制作表格如表2所示。
4.2 结果分析
4.2.1 光照对气孔开闭的影响
对比A与B组的实验数据，从图3中可以看出，经光照处理的叶片，将近40%的气孔都是完全开放，近24%关闭；而黑暗处理的叶片，只有2%左右的气孔是完全开放的，近88%关闭，由此可得，光照能够促进植物下表皮气孔的开放。
4.2.2 H+对气孔开闭的影响
从图4中可以看出，关照条件下在pH为4.5的KCl溶液中处理过的叶片，只有近21%的气孔是完全开放的，近37%的气孔关闭。对比A组的实验数据可知，酸性环境对气孔的开放具有一定的抑制作用。
4.2.3 K+对气孔开闭的影响
从图5可以看出，经NaCl溶液处理过的叶片，只有20%左右的气孔是完全开放的，近55%的气孔关闭。对比A组的实验数据可知，在气孔的开闭过程中，K+影响了保卫细胞细胞膜的通透性，对气孔的开放具有积极的作用。
5 实验设计的反思与总结
实验所用材料容易获取，仪器设备简单，操作难度适于高中生的认知能力水平；实验结果容易观察与统计，对照组之间对比明显，实验目的容易实现；实验结论对于学生具有一定的启发意义，便于学生进行拓展思考施肥以及酸雨等外界因素对植物生理活动的影响；学生通过操作这个实验不但能够进一步的掌握植物气孔的结构和开闭机理方面的知识，而且还能训练徒手制作植物下表皮装片、使用显微镜以及统计分析数据的技能，建立“设置对照组”、“单一变量”等探究性实验设计的理念，促进学生科学素养的培养。
参考文献：
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[2] 王永飞，方堃.介绍几种观察植物气孔的实验材料[J].生物学教学，2008，33（2）：41.
