科學(xué)實(shí)驗(yàn)與植物生理學(xué)教學(xué)

路運(yùn)才

摘 要：植物生理學(xué)是普通高等學(xué)校生物學(xué)專業(yè)和植物生產(chǎn)類領(lǐng)域的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于基礎(chǔ)理論學(xué)科，同時(shí)也是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科。結(jié)合現(xiàn)代教育信息技術(shù)的理論和方法，構(gòu)建了基于經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)和頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊文獻(xiàn)為主線的課程教學(xué)體系。以此充分調(diào)動(dòng)學(xué)生熟練掌握理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)思維去認(rèn)識(shí)和分析植物生命現(xiàn)象和規(guī)律。

關(guān)鍵詞：科學(xué)實(shí)驗(yàn)；植物生理學(xué)；課程體系

中圖分類號(hào) G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）23-146-02

植物生理學(xué)（Plant physiology）是研究植物的生長(zhǎng)發(fā)育與形態(tài)建成、物質(zhì)與能量代謝、信息傳遞與信號(hào)傳導(dǎo)等生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)。該課程是高等農(nóng)林院校生物學(xué)專業(yè)和植物生產(chǎn)類各專業(yè)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程。植物生理學(xué)是一門基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)密切聯(lián)系的科學(xué)，其理論知識(shí)來源于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)作為其教學(xué)的重要組成部分，既可加深學(xué)生對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)基本原理的理解，又可強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)、提高學(xué)生分析和解決問題的能力。因此，通過植物生理學(xué)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠全面掌握植物生命活動(dòng)的基本規(guī)律，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的與該課程相關(guān)的難題，為保障國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 科學(xué)實(shí)驗(yàn)與植物生理學(xué)課程的關(guān)系

植物生理學(xué)是生命科學(xué)尤其是農(nóng)林學(xué)科人才培養(yǎng)中重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)。植物生理學(xué)從孕育、誕生、成長(zhǎng)到發(fā)展階段，近400a的發(fā)展史包含了無數(shù)個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。如，孕育階段荷蘭人J.B.van Helmont設(shè)計(jì)的柳樹盆栽稱重實(shí)驗(yàn)、英國(guó)學(xué)者J.Priestley發(fā)現(xiàn)綠色植物具有“凈化”空氣的作用，開啟了光合作用的時(shí)代；19世紀(jì)60年代，俄國(guó)植物生理學(xué)家季米里亞捷夫用自行設(shè)計(jì)的儀器對(duì)葉綠素的吸收光譜進(jìn)行了研究，證明光合作用所利用的光就是葉綠素所吸收的光。M.Calvin于20世紀(jì)50年代采用14C示蹤法和紙上層析技術(shù)，揭示了光合作用中CO2同化的歷程，建立了卡爾文循環(huán)—光合碳循環(huán)。美國(guó)學(xué)者F.C.Steward 及其合作者通過研究細(xì)胞分裂素的功能，證明了植物細(xì)胞具有全能性（totipotency）。植物生理學(xué)的許多重大理論和發(fā)現(xiàn)都來自科學(xué)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，每一個(gè)經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)也將植物生理學(xué)學(xué)科的發(fā)展引向一個(gè)新的高度。因此，植物生理學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是植物生理學(xué)教學(xué)體系中不可或缺的環(huán)節(jié)，通過講解科學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、操作過程、結(jié)果和不足之處，不僅能夠啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)家科學(xué)探索精神的憧憬和學(xué)習(xí)植物生理學(xué)的興趣。而且通過對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)講解和分析，使學(xué)生如身臨其境地認(rèn)識(shí)和掌握理論。以每個(gè)章節(jié)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為主線，將科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)有機(jī)銜接，構(gòu)建一個(gè)較為完整的課程體系。學(xué)生通過溫習(xí)這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅可以培養(yǎng)自身的科研思維能力，也強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)植物生理學(xué)課程的整體認(rèn)識(shí)和全面把握。

2 基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)視角，構(gòu)建植物生理學(xué)課程體系

植物生理學(xué)主要包括細(xì)胞生理、水分生理、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)生理、呼吸與光合作用、植物生長(zhǎng)物質(zhì)、生長(zhǎng)與生殖生理、成熟與衰老生理以及逆境生理等10章內(nèi)容，在每個(gè)章節(jié)中都有一些經(jīng)典的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且有些實(shí)驗(yàn)屬于綜合性內(nèi)容，涉及不同章節(jié)的內(nèi)容。通過收集、整理及講解經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、人物、結(jié)論等內(nèi)容引入到植物生理學(xué)課堂中，將植物生理學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)融會(huì)貫通，使學(xué)生既掌握了科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，又強(qiáng)化了理論知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系。下面分別將各個(gè)章節(jié)中主要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作一總結(jié)。

第一章，植物細(xì)胞生理的重點(diǎn)內(nèi)容為植物細(xì)胞的全能性。通過講解1902年德國(guó)植物學(xué)家Haberlandt提出植物細(xì)胞全能性的理論及1958年Steward等以胡蘿卜為實(shí)驗(yàn)材料，利用人工培養(yǎng)基獲得胚狀體及胡蘿卜新植株等內(nèi)容，引出植物的每個(gè)細(xì)胞都具備發(fā)育成完整植株的遺傳能力，即植物細(xì)胞全能性的概念。第二章，植物的水分生理，需要重點(diǎn)掌握植物細(xì)胞和根系對(duì)水分的吸收方式、途徑及機(jī)理。通過講解植物水孔蛋白（aquaporin）的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、特征、種類、分布、功能及其調(diào)控等科學(xué)研究進(jìn)展強(qiáng)化學(xué)生對(duì)水分跨膜運(yùn)輸?shù)恼J(rèn)識(shí)；通過測(cè)定折斷的玉米莖稈基部傷口流出汁液的壓力及觀察田間水稻葉尖排水孔的水珠等實(shí)驗(yàn)來領(lǐng)悟傷流和吐水等植物生理學(xué)現(xiàn)象及主動(dòng)吸收方式。第三章，植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)生理，講解英國(guó)的John Woodward用雨水、河水、山泉水、自來水和花園土的水浸提液培養(yǎng)薄荷，發(fā)現(xiàn)植株在河水中生長(zhǎng)較好，在土壤浸提液中生長(zhǎng)最好及德國(guó)的J.Liebig 創(chuàng)建礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說、水培缺素實(shí)驗(yàn)以及中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)武維華院士于2006年發(fā)表在cell雜志上的有關(guān)擬南芥根細(xì)胞K+通道活性的調(diào)控方面解讀，使學(xué)生全面理解礦質(zhì)元素的功能及植物對(duì)礦質(zhì)元素吸收的機(jī)理等內(nèi)容。第四章，植物的呼吸作用，涉及氧化磷酸化作用的機(jī)制問題存在一些假說。通過介紹英國(guó)生物化學(xué)家P.Mitchell提出的化學(xué)滲透偶聯(lián)學(xué)說及美國(guó)生物化學(xué)家Boyer提出的ATP合酶的轉(zhuǎn)化機(jī)制實(shí)驗(yàn)來解釋ATP的生成。第五章，植物光合作用是植物生理學(xué)的重要一章，涉及1782年J.Senebier用化學(xué)分析的方法證明了二氧化碳和氧氣是光合作用的主要成分；1939年英國(guó)Robert.Hill發(fā)現(xiàn)在分離的葉綠體照光后發(fā)生水的光解和放氧；20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的紅降現(xiàn)象及1957年Robert.Emerson觀察到小球藻在用遠(yuǎn)紅光和短波長(zhǎng)光照射時(shí)，發(fā)現(xiàn)的雙光增益效應(yīng)；20世紀(jì)40～50年代，美國(guó)加州大學(xué)的M.Calvin研究和提出CO2同化途徑；環(huán)割樹木和蚜蟲吻刺實(shí)驗(yàn)證明同化物運(yùn)輸途徑和形式；比較壓力流動(dòng)學(xué)說、細(xì)胞質(zhì)泵動(dòng)學(xué)說及收縮蛋白學(xué)說來闡明同化物在韌皮部運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制。第六章，植物生長(zhǎng)物質(zhì)主要介紹生長(zhǎng)素、赤霉素、乙烯、細(xì)胞分裂素、脫落酸等五大類激素及其植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。通過講解Charles Darwin父子的虉草向光性實(shí)驗(yàn)、荷蘭的Went開展的燕麥胚芽鞘彎曲實(shí)驗(yàn)、1926年日本人黑澤英一研究水稻出現(xiàn)惡苗病、1963年Miller等從玉米種子分離到玉米素、1964年美國(guó)的Addicott等從棉花中提取出脫落素、20世紀(jì)初期英國(guó)、美國(guó)等科學(xué)家證明乙烯是植物的天然產(chǎn)物和催熟激素等實(shí)驗(yàn)來闡明主要激素的發(fā)現(xiàn)歷程。第七章，植物的生長(zhǎng)生理包括1952年Borthwrick等在美國(guó)農(nóng)業(yè)研究中心利用不同顏色的單色光處理萵苣種子，發(fā)現(xiàn)紅光和遠(yuǎn)紅光對(duì)種子的萌發(fā)截然相反，為光敏色素的發(fā)現(xiàn)提供了重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2010年，阿根廷研究人員Sabrina E.Sanchez等在英國(guó)《自然》周刊上發(fā)表了一種調(diào)控生物鐘節(jié)律的蛋白質(zhì)方面的研究成果。上述發(fā)現(xiàn)有具體應(yīng)用價(jià)值，尤其是在農(nóng)業(yè)方面。比如某些植物的葉子越多，收成越好，而葉子數(shù)量取決于花期長(zhǎng)短，花期則由生物鐘控制。如果通過基因調(diào)控，改變這些植物的生物鐘，就有望使它們長(zhǎng)出更多的葉子，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。通過學(xué)習(xí)該文獻(xiàn)，使同學(xué)們體會(huì)到植物生理學(xué)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐在分子水平上的聯(lián)系。第八章，植物的生殖生理包括了暗期間斷對(duì)植物開花的影響實(shí)驗(yàn)、春化作用的發(fā)現(xiàn)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。2004年美國(guó)加州大學(xué)Yan Liuling等在美國(guó)science雜志發(fā)表了有關(guān)調(diào)控小麥春化作用的基因的研究成果，通過該文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)使同學(xué)真正領(lǐng)悟到現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)。第九章，植物的成熟與衰老一章涉及果實(shí)的呼吸躍變和馬鈴薯、洋蔥等種子的休眠方面的實(shí)驗(yàn)。第十章，植物的逆境生理，重點(diǎn)講述植物響應(yīng)逆境脅迫條件下，依賴于ABA途徑和非依賴ABA途徑的發(fā)現(xiàn)、植物低溫、干旱、鹽害、病害等脅迫的響應(yīng)機(jī)制查找和討論在分子水平上的最新研究進(jìn)展，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以植物生理學(xué)課程每個(gè)章節(jié)中的經(jīng)典科學(xué)實(shí)驗(yàn)及當(dāng)今世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《cell》、《Nature》和《Science》上發(fā)表的有關(guān)植物生理學(xué)研究成果為主線，通過講解和分析每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c意義、原理與方法、技術(shù)操作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，演繹出相關(guān)的植物生理學(xué)理論和知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)將各個(gè)章節(jié)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)有機(jī)聯(lián)系在一起，構(gòu)建整個(gè)課程網(wǎng)絡(luò)體系。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，植物生理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究不斷深入，且研究成果顯著，為植物生理學(xué)理論教學(xué)提供了豐富的素材。我們相信，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生一方面能夠全面認(rèn)識(shí)植物生命活動(dòng)的基本規(guī)律及其與環(huán)境互作的關(guān)系，同時(shí)系統(tǒng)掌握研究植物生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境間的方法和技術(shù)，學(xué)會(huì)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)思維去認(rèn)識(shí)和分析生命現(xiàn)象和規(guī)律。

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