探究環境因素對植物氣孔開閉的影響

王 穎 許 藝 陳秉初 陳文榮

（浙江師范大學化學與生命科學學院 浙江金華 321004）

氣孔是高等植物與大氣進行水汽交換的主要通道，其開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］。氣孔運動不僅受到自身遺傳、時間節律等因素的影響，還接受環境因子的調節與控制，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中的重要知識點，均涉及氣體交換，此外，許多考題都考查了氣孔相關知識，尤其是將氣孔和光合作用的知識相聯系進行考查。學生通過進一步探究光照、溫度、CO2濃度對植物氣孔開閉情況的影響，分析氣孔導度與光合速率之間的聯系，從而更加全面地認識氣孔的結構和開閉機理，深入理解植物的光合作用過程。同時，通過對植物氣孔開閉影響因子的探究，學生能參與探究實驗的設計和方案實施，培養科學探究的能力，有利于生物學核心素養的養成。因此，本文對比了鳶尾（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構和數量，挑選出實驗最佳材料，并探究了光照、溫度和CO2濃度對該植物氣孔開放率的影響，旨在為中學開展“探究環境因素對植物氣孔開閉的影響”這一拓展性實驗選擇合適的實驗材料，加深學生對氣孔和光合作用的認識。

1 材料與方法

1.1 材料篩選 通過查閱文獻，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行制片，鏡檢。對比10倍鏡下4種植物的氣孔結構、數量和裝片清晰程度，選擇適宜進行氣孔開閉數量統計的最佳材料。

1.2 方法 剪取同一植株上長勢一致的葉片，利用恒溫培養箱設置光照20000lx/23℃、黑暗/23℃、光照20000lx/4℃等3個處理;同時,在光照為200lx,溫度為12℃的環境下,用系列濃度為0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L 的NaHCO3溶液進 行CO2處理；處理時間均為1h，每個處理重復至少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個重復，每張裝片選取6個視野，約160～180個氣孔，在10倍鏡下觀察氣孔開閉情況并導入DP Controller 系統拍照，記錄開放和關閉的氣孔數量。

1.3 數據處理 用Excel 軟件統計氣孔開放率，計算每組氣孔開放率平均值和標準差，采用SPSS 軟件進行Duncan 檢驗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 結果與分析

2.1 材料篩選結果 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胞的鏡像（圖1）可知，鳶尾的裝片清晰度高，表皮細胞形狀規則；氣孔與表皮細胞交互排列，結構明顯，保衛細胞的細胞壁明顯加厚； 氣孔分布均勻且數量適宜，一個視野中大約有30個，最適宜氣孔開放率的統計。其中，劍麻和迎春花的氣孔數量過多，不適宜計數；鳶尾和紫竹梅的氣孔數量適宜，且分布較稀疏。氣孔結構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，在撕取下表皮的過程中，容易粘連葉肉細胞。

圖14 種植物葉片下表皮裝片在光學顯微鏡下形態特征

2.2 光照對鳶尾氣孔開放率的影響 在供水充足的條件下,光照是影響植物氣孔開閉的主要因素［3］。對比不同光照條件下鳶尾的氣孔開放率可知（圖2）,光照處理的鳶尾氣孔開放率可達91.78%,而黑暗處理下氣孔大部分呈現關閉狀態,開放率僅11.52%。未經光照處理的鳶尾依然存在部分氣孔開放的現象,可認為是受到時間節律的控制。由此證明,光照能夠促進植物氣孔開放,加快氣體交換的速率。

2.3 溫度對鳶尾氣孔開放率的影響 光照相同時，不同溫度對鳶尾氣孔開放率的影響也有差異（圖3）。23℃處理下的鳶尾氣孔開放率達到91.78%，4℃處理下的鳶尾氣孔多數打開，開放率接近76.40%，處理間差異顯著。比較2組實驗數據可知，較高的溫度能夠促進氣孔開放，隨著溫度下降，氣孔開放率也下降。

圖2 光照對鳶尾氣孔開閉情況的影響

圖3 溫度對鳶尾氣孔開放率的影響

2.4 不同NaHCO3濃度對鳶尾氣孔開放率的影響 大氣中的CO2對氣孔運動的影響顯著。從圖4可以看出，低濃度NaHCO3溶液促進植物氣孔開放，高濃度NaHCO3溶液促進植物氣孔關閉。與對照相比，5g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開放率由59.43%上升至81.71%，此后隨著NaHCO3溶液濃度的上升，氣孔開放率呈下降趨勢，10g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開放率下降至74.59%，15g/L NaHCO3溶液處理下的氣孔開放率為62.93%，與對照不存在顯著差異，當NaHCO3溶液到達20g/L 時，出現明顯的抑制作用，僅15.80%的氣孔開放。由于利用NaHCO3溶液創造不同濃度的CO2環境，因此可以認為NaHCO3溶液對氣孔開閉的影響與CO2濃度對氣孔開閉的影響是一致的，低濃度CO2促進植物氣孔開放，高濃度CO2促進植物氣孔關閉。

圖4 不同NaHCO3 濃度下鳶尾葉片下表皮的氣孔開閉情況

3 討論與結論

氣孔作為植物進行氣體交換的主要通道，其開放率對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，胞間CO2濃度降低，氣孔開放率增大（圖2），大氣中CO2進入葉片，增加胞間CO2濃度。也有研究表明，光照能促進植物細胞內蘋果酸鉀的大量形成，使得保衛細胞水勢增加，促進氣孔開放率上升。適宜溫度下，光合酶活性較強，光合速率上升，植物為了獲得更多的CO2原料，氣孔逐漸打開（圖3）。相關研究顯示，葉溫度蒸汽壓虧缺也存在顯著的相關性［5］。大氣溫度上升引起葉溫上升，葉片內、外蒸汽壓增大，植物通過氣孔導度增大加速蒸騰，以維持葉溫。當蒸騰速率升高到一定程度時，葉片水勢降低，導致氣孔導度減小，光合速率降低。氣孔的數量和開閉程度對大氣CO2濃度的改變非常敏感。低CO2濃度促進光合速率上升，氣孔開放率增加（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，較高的光合速率導致水分大量消耗，保衛細胞膨壓減小，氣孔開放率逐漸下降（圖4）。氣孔的關閉又導致胞間CO2濃度降低，反而使得光合速率下降。由此可見，氣孔導度和胞間CO2濃度之間存在一個反饋環。此外，高CO2濃度引起的氣孔導度降低和蒸騰速率降低，必然引起葉溫上升，葉溫上升又反過來促進氣孔開放［6］。可見，各相關因子相互反饋，存在復雜的關聯。從氣孔和光合作用的聯系上來看，適宜的光照、溫度和CO2濃度促進植物的光合作用，導致胞間CO2濃度下降，為獲得充足的光合作用原料，氣孔逐漸開放。而氣孔的開放又反過來促進光合速率上升。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：氣孔因素主要與CO2供應有關，而非氣孔因素主要與葉肉細胞的同化能力有關。不同情況下，氣孔關閉對光合速率下降的貢獻率是不同的。因此，不能簡單認為氣孔導度與光合速率之間存在正相關的關系。在進行該探究實驗時，教師必須明確這一點，防止學生產生誤解。

鳶尾低溫下氣孔開放度仍較高（圖3），表明其具有較強的耐寒性； 同時，氣孔開閉度受外界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。從實驗效果來看，鳶尾表皮易撕取，不易粘連葉肉；氣孔結構明顯，數量適宜，分布均勻，便于觀察氣孔開閉情況和數量統計，且均受溫度、光照及CO2等環境因子顯著影響，實驗效果明顯。實驗教學是促成學生達成生物學核心素養的重要支撐。通過探究光照、溫度、CO2濃度對植物氣孔開閉情況的影響，學生能對氣體交換過程、氣孔和光合作用以及兩者的聯系有更加深入的理解，同時能切身體驗科學探究的一般過程和基本方法，提高實驗設計的能力。綜上所述，“探究環境因素對植物氣孔開閉的影響”可作為課外拓展性實驗在高中實驗教學中進行推廣。