減數分裂觀察實驗的研究綜述及教學建議

胡雪嬌　駱婷　徐作英　袁磊宇

摘要 通過文獻資料查閱及分析，綜述了蝗蟲精母細胞和植物花粉母細胞減數分裂觀察實驗的研究現狀，并對實驗操作方法進行了總結、歸納。結合中學生物課堂教學存在時間短、實驗室條件限制等問題，對材料固定、染色、壓片等部分操作步驟、試劑選擇進行了優化并提出了實踐教學建議，以期為中學生物減數分裂課堂教學提供參考。

關鍵詞 減數分裂 中學生物教學 研究綜述 教學建議

中圖分類號 Q-33 文獻標志碼 B

減數分裂是人教版生物《必修2·遺傳進化》中第二章第一節內容，是整本教材內容的基礎，唯有充分理解減數分裂的過程及意義，才能有效學習和認識生物的遺傳與進化。在顯微鏡下，學生通過觀察減數分裂過程中各分裂相，可清晰地觀察到減數分裂過程中染色體的形態變化，深刻認識減數分裂的動態過程。而在教材中，減數分裂的觀察實驗僅僅是觀察蝗蟲精母細胞減數分裂的固定裝片，雖能滿足教學要求，但缺乏對學生動手操作能力的培養，欠缺實驗方法及詳細的操作步驟。

關于減數分裂實驗的方法和操作步驟以及減數分裂圖像的識別和解說有眾多的文獻研究和報道，這其中包括動物精母細胞（主要是蝗蟲精母細胞）和植物花粉母細胞減數分裂的觀察及解說。這些實驗操作步驟、方法及分裂相的解說皆是中學減數分裂觀察實驗課堂教學的參考基礎。下面通過文獻查閱，綜述減數分裂觀察實驗方法的改進和優缺點，為中學減數分裂觀察實驗的教學實踐提供建議。

1實驗材料

中學生物教材中選取蝗蟲作實驗材料，其原因在于蝗蟲染色體數目較少，染色體較大，且雄性蝗蟲在繁殖期處于分裂相的細胞多，易于學生觀察。且當前減數分裂實驗的動物取材也主要是蝗蟲，其研究觀察和優化改進多是針對不同品種的蝗蟲，如徐根娣等便指出10月～11月捕捉的稻蝗可大大提高實驗的成功率。在大學遺傳學實驗教學中，蝗蟲品種則多為東亞飛蝗，東亞飛蝗的捕捉時間也主要集中在8月中旬繁殖旺盛時期。

相比于動物精母細胞減數分裂觀察研究材料選擇的單一性，植物取材則種類較多，有玉米、芹菜、龍眼、澳洲堅果、荔枝等。沈素香等更是比較了常見大田作物、蔬菜和花卉植物花粉母細胞減數分裂時期植株莖葉、花序、花藥等的特征，方便取材時間及部位的確定。

2減數分裂實驗操作步驟的研究綜述及教學建議

減數分裂觀察實驗的主要操作步驟有：材料固定→取材→軟化→染色→壓片→鏡檢。因植物細胞具有細胞壁，其伸縮性弱，在植物花粉母細胞減數分裂的實驗中多用酶或酸軟化細胞壁。實驗觀察效果的好壞主要在于染色體制片，涉及到材料選取、染色液的選用和染色時間、壓片方法等。

2.1蝗蟲精母細胞減數分裂實驗的制片與觀察

2.1.1材料固定

蝗蟲（雄性）精巢的固定：沿蝗蟲胸腹部中間從頭部向尾部端剪開，用小鑷子將體壁外深黃色的精巢夾出放入低滲液或蒸餾水中5～10min，轉入卡諾氏固定液固定8～12h。

針對低滲液、固定液以及固定時間，不同的研究各有差異，如選用質量分數0.25%的KCl溶液則低滲30min即可；徐根娣等選用卡諾氏固定液固定時間在10～24h；陶紅梅等選用甲醇：冰乙醇=3：1的比例固定液固定時間在8～12h。材料固定后，轉至體積分數為75%酒精中置于4℃冰箱保存。

在中學課堂中，教學時間的限制不可能讓學生完成固定操作；因此，材料固定多由教師進行。取出精巢固定亦或是使用秋水仙素、離心等實驗操作后期存在不易分發材料、操作費時、設備條件不足等問題。因此，教學實踐中，教師在材料處理中，自己捕捉或購買的蝗蟲可直接放于卡諾氏固定液中固定10～24h后，移至體積分數為75%的酒精中，再放于4℃冰箱保存。

2.1.2取材及染色

蝗蟲曲細精管存在3個不同區域，分為分裂區（本文定義）、轉化區、精巢管柄。對此，劉夢豪等在取材制片中切去轉化區以增加精母細胞的密度，避免成熟精子對精母細胞的稀釋作用。徐根娣等就此也提出三段或兩端取材法。染色液的選擇主要有Giemca染液（pH為6.8）、醋酸洋紅染色液、醋酸地衣紅染色液等。劉夢豪等研究指出：醋酸地衣紅染色15min左右效果最好。

在具體的操作步驟中，1條蝗蟲曲細精管猶如一小截頭發絲。因而，對于“先取材后染色”和“先染色后取材”，徐根娣等提出整體染色較為適用于中學教學課堂。在教學實踐中，建議“取材染色”的具體操作為：取整個精巢于加有醋酸地衣紅染色液的染色盤中，染色10～15min，然后用鑷子或解剖針挑取2～3個曲細精管于加有1～2滴染色液的載玻片中央，再進行染色3～5min，蓋上蓋玻片，同時覆上吸水紙進行壓片。

2.1.3壓片

壓片是通過施加壓力使細胞在染色液中鋪展開來，有利于染色體的分散和觀察，較成熟實用的操作是：左手拇指或食指壓住蓋玻片左側予以固定，防止蓋玻片滑動，用鉛筆頭等對準材料處輕敲，材料標本呈霧狀即可。

2.1.4鏡檢及分裂相的識別

蝗蟲精母細胞減數分裂過程的觀察屬操作簡單但解讀十分復雜的實驗，正確有效地判斷顯微鏡下染色體的形態、結構是檢驗試驗是否成功的標準。減數分裂過程中，各分裂期（前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、間期Ⅱ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ）圖像的判斷僅依靠教材的模式圖像遠遠不夠。不少文獻均附圖解讀各個分裂相；劉夢豪等附圖及說明較全面，具有較高的參考價值，可作為中學實驗教學的指導資料。此外，多看、多對比、多做是熟練實驗操作和圖像識別的不二途徑。

2.2植物花粉母細胞減數分裂的制片與觀察

2.2.1材料固定

植物花粉母細胞減數分裂觀察實驗操作中，材料固定通常是將植株整個花序置于卡諾氏固定液中，固定時間常在24～48h；固定后的花序置于體積分數為70%的酒精中，保存于4℃冰箱中備用。

2.2.2軟化

軟化操作是為除去或軟化細胞壁，利于壓片中細胞的分散、鋪展。軟化方法有：①混合酶液（5%纖維素酶：5%果膠酶=1：1）于28～30%酶解5h；②體積分數為50%的乙酸溶液中軟化1～2d。軟化如同植物根尖細胞有絲分裂觀察實驗中的解離，在實驗教學中可嘗試選用體積分數為8%的HCl溶液解離5～10min，以縮短操作等待的時間。

2.2.3染色與壓片

植物花序或小花（3～5個）在載玻片上軟化后即可滴加染液進行染色、壓片。植物花粉母細胞位于花藥中部，外圍包裹數層藥壁細胞，若不將花藥搗碎，則不利于觀察到單個花粉母細胞的分裂狀態。因此，染色壓片前必須將花藥搗碎，使花粉母細胞充分染色及鋪展分散開。

對染色液的選擇，有改良卡寶染色液、Giemsa染色液、醋酸洋紅染色液、乙酸一鐵礬蘇木精染色液等。依據中學實驗條件，中學課堂教學實踐以選用配置簡單的醋酸洋紅、醋酸地衣紅染色液為佳。

結合教學實踐經驗和文獻資料描述，建議中學課堂可采用的“染色、壓片”操作為：向軟化后的花藥（或小花）處滴加1～2滴醋酸洋紅或地衣紅染色液，并用鑷子或解剖針將花藥壓碎，染色5～10min，蓋上蓋玻片；用左手拇指或食指壓住蓋玻片左側，用鉛筆頭等輕敲予以壓片；用吸水紙吸去多余染色液后即可鏡檢觀察。

2.2.4鏡檢觀察和分裂相的識別

植物花粉母細胞減數分裂過程劃分為：前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、間期Ⅱ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ、四分體時期。四分體時期指植物小孢子母細胞分裂后4個子細胞由胼胝體包在一起形成。四分體時期以及細胞板是區分動、植物細胞減數的重要特征。但高效、準確判斷分裂細胞處于哪一個分裂期，還需大量的參考、對比，僅依靠教材提供的模式圖像遠遠不夠。建議中學生物實驗教學課堂中，可參考孔廣紅等對澳洲堅果花粉母細胞、劉麗琴等對荔枝和龍眼花粉減數分裂、趙冬等對芹菜花粉母細胞減數分裂觀察實驗研究中附圖及說明進行各分裂相的識別。

3總結與反思

3.1中學生物減數分裂實驗教學實踐建議

通過文獻資料查閱及分析，關于減數分裂實驗方法改進和介紹的文獻研究，尤其是分裂相的識別和解說是中學生物課堂實驗教學的重要參考。但將這些方法完全應用于中學生物課堂存在操作復雜、難度大等問題；同時，課堂教學時間和實驗設備條件也是重要的限制因素。如陶紅梅等提出的“活體注射秋水仙素、細胞懸液滴片”等方面的改進根本不適合完全照搬進入中學課堂，此方法雖能使制片干凈、圖像清晰，但在中學40min的教學時間內學生基本不可能完成全部實驗操作。對此，筆者結合實際教學經驗，對當前文獻研究中的實驗操作步驟進行了總結和部分優化并給予相關教學建議（表1、表2），以給中學生物實驗課堂教學提供更詳細的參考和指導。

3.2中學生物減數分裂實驗實踐教學的探究方向

相比動物精母細胞通過縊縮方式完成分裂后兩個子細胞往往“各奔東西”而言，植物花粉母細胞減數分裂中形成四分體，更有利于學生對減數分裂各時期的判斷。同時，經過植物根尖細胞有絲分裂實驗觀察的操作，利用植物花粉母細胞進行中學生物減數分裂的教學實踐，學生在操作、圖像識別上有一定基礎，可稍微降低實驗難度。在當前研究中，并無相關文獻報道植物材料在中學減數分裂課堂教學的實際應用及探究，缺乏教學實踐的參考資料。因此，結合文獻資料及研究成果，是利用植物花粉母細胞進行減數分裂觀察實驗總結和改進出適用于中學生物課堂的操作方法首要探究方向。

在相對成熟的實驗操作方法和分裂相識別解說條件下，實驗材料的選擇是中學生物減數分裂實驗有效開展的關鍵點。選擇不同材料進行中學減數分裂實驗的教學實踐是今后教學研究工作中的一大探究方向。此外，同為細胞分裂，減數分裂比有絲分裂，染色體形態變化更加復雜、分裂相的識別更難。如何加強學生對顯微鏡下實體圖像的判斷，正確區分有絲分裂及減數分裂是一大教學難點，也是實驗教學探究的重要方向。

減數分裂的動物取材主要是蝗蟲，利用蝗蟲精母細胞進行減數分裂實驗的觀察已形成較成熟的操作方法和圖像解說；除正確取材、壓片等操作要求外，減數分裂實踐教學的重難點在于分裂圖像的識別。因此，利用蝗蟲精母細胞進行中學生物減數分裂的實驗教學的探究方向在于進一步優化實驗操作，縮短實驗制片時間，以留足時間進行鏡檢觀察。