探究環(huán)境因素對(duì)植物氣孔開(kāi)閉的影響

王 穎 許 藝 陳秉初 陳文榮

（浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 浙江金華 321004）

氣孔是高等植物與大氣進(jìn)行水汽交換的主要通道，其開(kāi)放程度直接影響植物的蒸騰、光合和呼吸作用，在生理上具有重要意義［1］。氣孔運(yùn)動(dòng)不僅受到自身遺傳、時(shí)間節(jié)律等因素的影響，還接受環(huán)境因子的調(diào)節(jié)與控制，例如水分、溫度、光照、CO2濃度、外源激素等［2］。植物的光合和呼吸作用是高中生物學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)，均涉及氣體交換，此外，許多考題都考查了氣孔相關(guān)知識(shí)，尤其是將氣孔和光合作用的知識(shí)相聯(lián)系進(jìn)行考查。學(xué)生通過(guò)進(jìn)一步探究光照、溫度、CO2濃度對(duì)植物氣孔開(kāi)閉情況的影響，分析氣孔導(dǎo)度與光合速率之間的聯(lián)系，從而更加全面地認(rèn)識(shí)氣孔的結(jié)構(gòu)和開(kāi)閉機(jī)理，深入理解植物的光合作用過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)對(duì)植物氣孔開(kāi)閉影響因子的探究，學(xué)生能參與探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和方案實(shí)施，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力，有利于生物學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。因此，本文對(duì)比了鳶尾（Iris tectorum）、劍 麻 （Agave sisalana）、迎春花（Jasminum nudiflorum）和紫竹梅（Setcreasea purpurea）4種觀察氣孔常用植物的氣孔結(jié)構(gòu)和數(shù)量，挑選出實(shí)驗(yàn)最佳材料，并探究了光照、溫度和CO2濃度對(duì)該植物氣孔開(kāi)放率的影響，旨在為中學(xué)開(kāi)展“探究環(huán)境因素對(duì)植物氣孔開(kāi)閉的影響”這一拓展性實(shí)驗(yàn)選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料，加深學(xué)生對(duì)氣孔和光合作用的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 材料篩選 通過(guò)查閱文獻(xiàn)，選擇鳶尾、劍麻、迎春花和紫竹梅等4種觀察氣孔常用植物作為備用材料，直接撕取葉片下表皮進(jìn)行制片，鏡檢。對(duì)比10倍鏡下4種植物的氣孔結(jié)構(gòu)、數(shù)量和裝片清晰程度，選擇適宜進(jìn)行氣孔開(kāi)閉數(shù)量統(tǒng)計(jì)的最佳材料。

1.2 方法 剪取同一植株上長(zhǎng)勢(shì)一致的葉片，利用恒溫培養(yǎng)箱設(shè)置光照20000lx/23℃、黑暗/23℃、光照20000lx/4℃等3個(gè)處理;同時(shí),在光照為200lx,溫度為12℃的環(huán)境下,用系列濃度為0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L 的NaHCO3溶液進(jìn) 行CO2處理；處理時(shí)間均為1h，每個(gè)處理重復(fù)至少3次。

處理完畢后用鑷子撕取植物下表皮，放置在滴有清水的載玻片上，蓋上蓋玻片。每組處理制作3張裝片，即3個(gè)重復(fù)，每張裝片選取6個(gè)視野，約160～180個(gè)氣孔，在10倍鏡下觀察氣孔開(kāi)閉情況并導(dǎo)入DP Controller 系統(tǒng)拍照，記錄開(kāi)放和關(guān)閉的氣孔數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理 用Excel 軟件統(tǒng)計(jì)氣孔開(kāi)放率，計(jì)算每組氣孔開(kāi)放率平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用SPSS 軟件進(jìn)行Duncan 檢驗(yàn)和單因素方差分析比較不同處理間的差異（α=0.05），最后利用SigmaPlot 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料篩選結(jié)果 比較10倍物鏡下鳶尾、劍麻、迎春和紫竹梅4種植物葉片下表皮細(xì)胞的鏡像（圖1）可知，鳶尾的裝片清晰度高，表皮細(xì)胞形狀規(guī)則；氣孔與表皮細(xì)胞交互排列，結(jié)構(gòu)明顯，保衛(wèi)細(xì)胞的細(xì)胞壁明顯加厚； 氣孔分布均勻且數(shù)量適宜，一個(gè)視野中大約有30個(gè)，最適宜氣孔開(kāi)放率的統(tǒng)計(jì)。其中，劍麻和迎春花的氣孔數(shù)量過(guò)多，不適宜計(jì)數(shù)；鳶尾和紫竹梅的氣孔數(shù)量適宜，且分布較稀疏。氣孔結(jié)構(gòu)以鳶尾和紫竹梅的清晰度最佳，但紫竹梅的裝片清晰度不高，在撕取下表皮的過(guò)程中，容易粘連葉肉細(xì)胞。

圖14 種植物葉片下表皮裝片在光學(xué)顯微鏡下形態(tài)特征

2.2 光照對(duì)鳶尾氣孔開(kāi)放率的影響 在供水充足的條件下,光照是影響植物氣孔開(kāi)閉的主要因素［3］。對(duì)比不同光照條件下鳶尾的氣孔開(kāi)放率可知（圖2）,光照處理的鳶尾氣孔開(kāi)放率可達(dá)91.78%,而黑暗處理下氣孔大部分呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài),開(kāi)放率僅11.52%。未經(jīng)光照處理的鳶尾依然存在部分氣孔開(kāi)放的現(xiàn)象,可認(rèn)為是受到時(shí)間節(jié)律的控制。由此證明,光照能夠促進(jìn)植物氣孔開(kāi)放,加快氣體交換的速率。

2.3 溫度對(duì)鳶尾氣孔開(kāi)放率的影響 光照相同時(shí)，不同溫度對(duì)鳶尾氣孔開(kāi)放率的影響也有差異（圖3）。23℃處理下的鳶尾氣孔開(kāi)放率達(dá)到91.78%，4℃處理下的鳶尾氣孔多數(shù)打開(kāi)，開(kāi)放率接近76.40%，處理間差異顯著。比較2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，較高的溫度能夠促進(jìn)氣孔開(kāi)放，隨著溫度下降，氣孔開(kāi)放率也下降。

圖2 光照對(duì)鳶尾氣孔開(kāi)閉情況的影響

圖3 溫度對(duì)鳶尾氣孔開(kāi)放率的影響

2.4 不同NaHCO3濃度對(duì)鳶尾氣孔開(kāi)放率的影響 大氣中的CO2對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的影響顯著。從圖4可以看出，低濃度NaHCO3溶液促進(jìn)植物氣孔開(kāi)放，高濃度NaHCO3溶液促進(jìn)植物氣孔關(guān)閉。與對(duì)照相比，5g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開(kāi)放率由59.43%上升至81.71%，此后隨著NaHCO3溶液濃度的上升，氣孔開(kāi)放率呈下降趨勢(shì)，10g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開(kāi)放率下降至74.59%，15g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開(kāi)放率為62.93%，與對(duì)照不存在顯著差異，當(dāng)NaHCO3溶液到達(dá)20g/L 時(shí)，出現(xiàn)明顯的抑制作用，僅15.80%的氣孔開(kāi)放。由于利用NaHCO3溶液創(chuàng)造不同濃度的CO2環(huán)境，因此可以認(rèn)為NaHCO3溶液對(duì)氣孔開(kāi)閉的影響與CO2濃度對(duì)氣孔開(kāi)閉的影響是一致的，低濃度CO2促進(jìn)植物氣孔開(kāi)放，高濃度CO2促進(jìn)植物氣孔關(guān)閉。

圖4 不同NaHCO3 濃度下鳶尾葉片下表皮的氣孔開(kāi)閉情況

3 討論與結(jié)論

氣孔作為植物進(jìn)行氣體交換的主要通道，其開(kāi)放率對(duì)光合作用起著直接的影響作用［4］。光照條件下，植物光合作用加強(qiáng)，胞間CO2濃度降低，氣孔開(kāi)放率增大（圖2），大氣中CO2進(jìn)入葉片，增加胞間CO2濃度。也有研究表明，光照能促進(jìn)植物細(xì)胞內(nèi)蘋(píng)果酸鉀的大量形成，使得保衛(wèi)細(xì)胞水勢(shì)增加，促進(jìn)氣孔開(kāi)放率上升。適宜溫度下，光合酶活性較強(qiáng)，光合速率上升，植物為了獲得更多的CO2原料，氣孔逐漸打開(kāi)（圖3）。相關(guān)研究顯示，葉溫度蒸汽壓虧缺也存在顯著的相關(guān)性［5］。大氣溫度上升引起葉溫上升，葉片內(nèi)、外蒸汽壓增大，植物通過(guò)氣孔導(dǎo)度增大加速蒸騰，以維持葉溫。當(dāng)蒸騰速率升高到一定程度時(shí)，葉片水勢(shì)降低，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度減小，光合速率降低。氣孔的數(shù)量和開(kāi)閉程度對(duì)大氣CO2濃度的改變非常敏感。低CO2濃度促進(jìn)光合速率上升，氣孔開(kāi)放率增加（圖4），以吸收大氣中更多的CO2。而高CO2濃度為植物提供了充足的光合作用原料，較高的光合速率導(dǎo)致水分大量消耗，保衛(wèi)細(xì)胞膨壓減小，氣孔開(kāi)放率逐漸下降（圖4）。氣孔的關(guān)閉又導(dǎo)致胞間CO2濃度降低，反而使得光合速率下降。由此可見(jiàn)，氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度之間存在一個(gè)反饋環(huán)。此外，高CO2濃度引起的氣孔導(dǎo)度降低和蒸騰速率降低，必然引起葉溫上升，葉溫上升又反過(guò)來(lái)促進(jìn)氣孔開(kāi)放［6］?？梢?jiàn)，各相關(guān)因子相互反饋，存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。從氣孔和光合作用的聯(lián)系上來(lái)看，適宜的光照、溫度和CO2濃度促進(jìn)植物的光合作用，導(dǎo)致胞間CO2濃度下降，為獲得充足的光合作用原料，氣孔逐漸開(kāi)放。而氣孔的開(kāi)放又反過(guò)來(lái)促進(jìn)光合速率上升。值得一提的是，光合速率的限制因素有氣孔因素和非氣孔因素兩大類(lèi)：氣孔因素主要與CO2供應(yīng)有關(guān)，而非氣孔因素主要與葉肉細(xì)胞的同化能力有關(guān)。不同情況下，氣孔關(guān)閉對(duì)光合速率下降的貢獻(xiàn)率是不同的。因此，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為氣孔導(dǎo)度與光合速率之間存在正相關(guān)的關(guān)系。在進(jìn)行該探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師必須明確這一點(diǎn)，防止學(xué)生產(chǎn)生誤解。

鳶尾低溫下氣孔開(kāi)放度仍較高（圖3），表明其具有較強(qiáng)的耐寒性； 同時(shí)，氣孔開(kāi)閉度受外界CO2顯著影響（圖4），氣孔限制可能是其光合速率的主要限制因子。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，鳶尾表皮易撕取，不易粘連葉肉；氣孔結(jié)構(gòu)明顯，數(shù)量適宜，分布均勻，便于觀察氣孔開(kāi)閉情況和數(shù)量統(tǒng)計(jì)，且均受溫度、光照及CO2等環(huán)境因子顯著影響，實(shí)驗(yàn)效果明顯。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要支撐。通過(guò)探究光照、溫度、CO2濃度對(duì)植物氣孔開(kāi)閉情況的影響，學(xué)生能對(duì)氣體交換過(guò)程、氣孔和光合作用以及兩者的聯(lián)系有更加深入的理解，同時(shí)能切身體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程和基本方法，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。綜上所述，“探究環(huán)境因素對(duì)植物氣孔開(kāi)閉的影響”可作為課外拓展性實(shí)驗(yàn)在高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行推廣。