“觀察植物細胞的有絲分裂”實驗的改進

曹峰華

[摘 要]對“觀察植物細胞的有絲分裂”實驗進行“低溫處理生根”和“恒溫水浴解離”兩個重要改進，可大幅度縮短實驗時間，明顯提高實驗成功率。

[關鍵詞]實驗改進；植物細胞的有絲分裂；低溫處理生根；恒溫水浴解離

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）20-0093-02

“觀察植物細胞的有絲分裂”實驗是高中生物的重點和難點實驗之一，同時也是成功率最低的實驗之一。在這個實驗中，學生很難獲得成功體驗，其主要原因是：（1）處于分裂期的細胞數目太少。（2）解離、漂洗、染色時間過長。從人教版生物必修1中的實驗來看，解離時間需3～5分鐘，漂洗時間約10分鐘，染色時間需3～5分鐘，僅這三個步驟就需要約20分鐘，學生很難在一節課內完成整個實驗操作。（3）染色操作不好把握，要么染色太深，要么染色太淺，不利于觀察。筆者剛開始帶領學生做這個實驗時，學生的實驗成功率（成功觀察到各個時期的細胞分裂圖像）不到20%。筆者親自做實驗，成功率也不到30%，對此深感慚愧，于是決心突破“實驗成功率低”這個瓶頸。在這以后的8年多時間里，筆者不斷在實驗材料、實驗時間（上午或下午）、操作步驟、染色劑的選擇等方面做改進，也參考學習了中國知網上的19篇論文，筆者的實驗成功率有所提高，而學生的實驗成功率也接近60%，但是完成實驗的時間仍然比較長。筆者在反思中發現，這個實驗在氣溫較高的時間去做，其成功率要略高于氣溫較低的時間，溫度會不會對這個實驗有重大影響呢？對此，筆者進行了多次嘗試，終于通過“低溫處理生根”和“恒溫水浴解離”兩個重要的改進，大幅度縮短了實驗時間，明顯提高了實驗成功率，其中學生的實驗成功率接近90%。筆者錄制微課視頻時，從剪取根尖到數碼顯微鏡下展示出清晰的分裂期細胞圖像，用時僅3分22秒。筆者現將整體改進后的實驗操作與各位同仁交流，以期讓更多的學生獲得成功的實驗體驗。

【實驗改進】

1.實驗材料的改進

人教版生物必修1中的實驗，選用洋蔥根尖作為實驗材料，而市場上購買的洋蔥，培養后有時不能長出根或者生根數目較少（這種情況在廣東地區尤為突出），培養過程對溫度的要求較高，同等培養條件下每瓣大蒜生根數比單個洋蔥還要多。對此，筆者用蒜瓣代替洋蔥進行實驗，將多個蒜瓣用鐵絲或竹簽連接成串，放在水槽中培養，一個水槽可同時放3～5串蒜瓣，每天換水一次，培養約2天時間，待蒜瓣的根尖長至3～5 cm，即可使用。有條件的學校還可以將蒜瓣放入人工氣候箱中培養，這樣生根效果會更佳。

2.培養過程的改進

按照傳統操作，在裝片鏡檢過程中會發現，絕大多數細胞處于間期，分裂相的細胞相當少，經過大量實踐后，將大蒜在適宜溫度（25℃左右）下培養1天后，再放入4～8℃冰箱中低溫處理24小時，再移到室溫下繼續培養直至實驗前，可以有效增加處于分裂期的細胞的比例。

3.解離過程的改進

將常溫解離改為恒溫水浴解離，提前在實驗室準備好水浴鍋，調節溫度至60℃左右，取根尖2～3 mm，用刀片縱向輕輕地剖開根尖，置于解離液中，將盛有解離液和根尖的小燒杯先蓋上皿蓋，再放入水浴鍋中溫熱30～50 s即可。學生在經驗不足的情況下，容易解離不足或解離過度，導致細胞分散不開或細胞結構被破壞。因此，在將根尖放入水浴鍋時就要仔細觀察根尖的變化，待根尖邊緣呈乳白色、中部呈透明狀即可。

4.漂洗過程的改進

對于只安排1課時的實驗而言，10分鐘的漂洗步驟用時過長。因此，可以將解離后的根尖放入裝滿水的600 mL的中號燒杯中實現自動漂洗，由于根尖上的解離液和清水的密度不同，根尖會在清水中不定向地移動，待根尖靜止下來，漂洗也就完成了。此過程不需換水，約40 s即可達到漂洗目的。本過程中有一難點需要解決，即漂洗后的根尖完全游離在清水中，學生要將根尖取出是有較大難度的，若用鑷子夾取不易夾到目標，而且反復操作容易夾碎根尖，建議漂洗后用較細的毛筆或者毛刷緩慢地將根尖托出水面，再把根尖撥弄到玻璃皿中染色。

5.染色過程的改進

經過解離和漂洗過程的改進后，染色就變得容易了。將根尖放置于滴有2～3滴染色劑的玻璃皿中，完全浸沒20s左右即可，醋酸洋紅液（將0.5 g洋紅溶于55 mL蒸餾水中，再加入45 mL冰醋酸充分搖勻后，加熱煮沸10 min，冷卻）的染色比質量濃度為0.02 g/mL的龍膽紫溶液清晰一些。

6.制片過程的改進

裝片制作是否合理，是學生操作過程中的關鍵步驟之一，也是難點之一。若掌握不好壓片的程度，細胞就不能充分散開來，出現相互重疊的情況，無法清晰觀察到染色體。筆者以壓片工具操作簡單、易獲取、效果明顯為前提，在實驗中廣泛嘗試各種身邊的用具，如鑷子、手指、鉛筆、滴管、橡皮擦等。通過對比發現，使用鉛筆（帶橡皮的一端）、圓珠筆（帶彈簧的一端）、滴管（帶膠頭的一端）等工具時，由于它們具有一定的彈性，比較容易掌控力度，效果較好。效果最好的是用橡皮擦，先在蓋玻片上方5 cm左右自由落下橡皮擦3～5次，使細胞初步分散開，再用手捏住橡皮擦，用力敲擊蓋玻片（實踐證明不會出現蓋玻片破碎的情況），當觀察到細胞呈云霧狀散開后，即收到良好的細胞分散效果。

[實驗反思]

“觀察植物細胞的有絲分裂”實驗需要運用到眾多的生物實驗操作技術，涉及取材、解離、漂洗、染色、制片和正確使用顯微鏡等關鍵步驟，每一個步驟都關系到下一個步驟的成功與否。該實驗成功與否也將對后續實驗“觀察細胞減數分裂”“低溫誘導染色體加倍”產生深遠影響。近年來，許多同仁在共同目標的指引下，不斷地改進與實踐，逐步提高了該實驗的成功率。

筆者對本實驗的改進要點，一是低溫處理生根。為了避免與“低溫誘導染色體變異”混淆，低溫處理方式有所區別。“低溫誘導染色體變異”實驗中待洋蔥長出1 cm的不定根時，將整個裝置放入冰箱中4℃處理36 h。而本實驗是將大蒜瓣低溫（4～8℃）處理24 h，甚至可以是剛剛用濕潤紗布覆蓋上的大蒜瓣，再移到室溫下繼續培養直至實驗前。筆者后續對本實驗條件下的分裂期細胞進行了核型分析，發生染色體變異的細胞極少，幾乎可以忽略不計。

二是恒溫水浴解離。這一改進明顯縮短了實驗時間。筆者和同事早在2010年就嘗試過60℃恒溫解離，當時側重點是解離效果，費時約5 min左右。2012年，廣州的周伯春、鄧麗萍等老師發表在《生物學通報》上的文章中也提到60℃恒溫解離的改進。周老師覺得鹽酸濃度高，對學生的身體有一定的危害，故改用1 mol/L的稀鹽酸60℃恒溫解離8～10 min。周老師相當于是用溫度去“稀釋”了鹽酸的濃度。后來，筆者在保證實驗成功率的同時開始追求盡可能地縮短實驗時間，于是又反復琢磨“恒溫水浴解離”這一環節，受周老師實驗改進的啟發：“有沒有降低危害又能快速解離的辦法呢？”筆者突然想起加蓋子的方法：在恒溫水浴鍋中放入一個600 mL的中號燒杯，注水約80 mL（以解離用的小燒杯置于其中剛好不晃動為準），調節溫度至60℃，將盛有解離液和根尖的小燒杯先蓋上皿蓋，再放入水浴鍋中溫熱，1 min內即可充分解離。這一改進沒有改變人教版生物必修1實驗中解離液的濃度配比，但是高溫、高濃度、相對封閉的解離環境大大縮短了解離的時間，同時也縮短了學生和濃鹽酸接觸的時間，一定程度上規避了實驗危險。“加皿蓋”這一細微改進雖然歷時5年時間，但是它帶來更多的是成就和喜悅。正如每一項技術的進步，每一個課例的成功，都離不開研究者靜心的反復揣摩和不斷的嘗試，更離不開研究者“咬定青山不放松”的鍥而不舍的精神。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 肖桂枝，馮水平，厚今.大蒜有絲分裂指數與根長和取材時間的關系[J].承德醫學院學報，2002，19（4）：269-272.

[2] 周伯春，鄧麗萍.關于“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”的實驗改進[J]. 生物學通報，2012（8）：46.

（責任編輯 黃春香）