用葉圓片法測算紅薯葉的光飽和點和光補償點

易任遠 曾 峰

（1.湖南師范大學附屬中學 湖南長沙 410006）

（2.湖南省教育科學研究院 湖南長沙 410005）

1 前言

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》要求開展的實驗，也是人教社2019年版生物學《必修1·分子與細胞》中第五章第四節的內容。教材中的方案將裝有葉圓片的燒杯放在強、中、弱3種光照下，比較同一時間段內各燒杯中葉圓片浮起的數量。在實際操作過程中，強光照下的兩組葉圓片盡管所在的燒杯有一定的距離，浮起的時間段也會非常集中，而中、弱光照下，離光源越遠的葉圓片浮起的越晚。這個現象引起了筆者的注意，于是和學生一起用量化分析、數學建模的方法，進行了以下實驗，對這一現象進行了深度探究。

2 材料與方法

2.1 材料和試劑

菜市場購買的紅薯葉、質量分數為2%的碳酸氫鈉溶液。

2.2 儀器

100 W白熾臺燈、數字照度計、Li-6400便攜式光合作用測量系統、計時器、打孔器、20 mL注射器、50 mL燒杯。

2.3 方法

2.3.1 光合曲線的繪制

實驗室溫為22℃。取12個50 mL燒杯，各加入20 mL質量分數為2%的碳酸氫鈉溶液，如果燒杯規格不一，應配平至同一高度。打開臺燈，將盛有碳酸氫鈉溶液的燒杯放在照度計上，找到光照強度為6 250、5 800、4 500、3 500、3 000、2 500、2 000、1 500、1 300、1 000、800、0 lx的點，并用標簽紙做好標記，將燒杯放在上面，注意避免燒杯前后的陰影遮擋，然后關閉臺燈。用直徑為6 mm的打孔器在生長旺盛的紅薯葉上打出72個葉圓片，盡量避開葉脈。將葉圓片分批置于20 mL注射器內，吸入蒸餾水后，用手指堵住注射器前端的小孔并拉動活塞，使葉圓片內的氣體溢出，重復2～3次，使葉圓片全部沉到水底。將葉圓片放入盛有碳酸氫鈉溶液的燒杯中，每個燒杯放6片。打開臺燈的同時，用計時器開始計時，記錄每一個葉圓片從燒杯底部浮起到液面需要的時長。記錄完成后，求出每個燒杯中6個葉圓片浮起需要的平均時長。因為凈光合速率越快，葉圓片積累氧氣的速率越快，葉圓片浮起的時長也就越短，因此凈光合速率和浮起時長成反比關系，可以用浮起時長的倒數體現凈光合速率。最后以光照強度為橫坐標，平均浮起時長的倒數為縱坐標，繪制出光合曲線，計算光飽和點，再對飽和點前段的線性區間進行線性擬合，計算出光補償點。2.3.2 光飽和點和光補償點的檢驗

選取生長旺盛的紅薯枝條，插在水中。用便攜式光合作用測量系統的傳感器夾住其中的一片葉子。待氣孔導度、光合速率等數值穩定后，設置程序，測量室溫和大氣二氧化碳濃度下紅薯葉的光補償點和光飽和點（圖1）。然后與葉圓片法測算的數據進行比較分析。

3 結果與分析

3.1 光合曲線的繪制

表1為不同光照強度下葉圓片浮起時間的測量結果。其中對照組0 lx的燒杯中無葉圓片浮起，說明葉圓片的浮起并不是由呼吸作用積累的二氧化碳導致。光照強度和凈光合速率做出的光合曲線為圖2，可以得出光飽和點在5 000 lx左右。對800～2 500 lx之間光照強度的凈光合速率進行線性擬合，其表達式為y=0.000 9x-0.205 2，線性系數R=0.992 02，線性關系較好。設y=0，可以計算出光補償點約為278 lx。

表1 不同光照強度下葉圓片的浮起時間

3.2 光飽和點和光補償點的檢驗

用便攜式光合作用測量系統測得紅薯葉光補償點為4.18 μmol/（m2·s），光飽和點為744.04 μmol/（m2·s）。μmol/（m2·s）是光量子通量密度的單位，是單位時間照射于光合作用表面的有效輻射（400～700 nm）的光量子數。根據林植芳等的白熾燈光照強度和光量子通量密度換算公式得出，測得的紅薯葉光補償點為177 lx，飽和點為309 50 lx。葉圓片法得出的結果和測得的結果相比，光補償點相接近，但葉圓片法的光補償點偏大；光飽和點差距較大，葉圓片法的光飽和點遠小于光合作用測量系統測得數據。

3.3 結果差異的分析

造成這一差異的原因主要是兩種方法的二氧化碳來源不同。菜市場購買的紅薯葉已經離體一段時間，用便攜式光合作用測量系統測得其氣孔導度僅為0.01 mol H2O/（m2·s），基本處于關閉的狀態，其原因是葉片缺水，脫落酸的濃度升高，導致了氣孔關閉。再制成葉圓片，抽去氣體，放入碳酸氫鈉溶液后，碳酸氫鈉只能通過葉圓片切口處的細胞間隙進入植物細胞，再由植物細胞內含有的碳酸酐酶將碳酸氫根離子轉化為二氧化碳，供葉圓片進行光合作用。

用便攜式光合作用測量系統測量光補償點和光飽和點前，先要將紅薯枝條插在水中培養一段時間。由于測量系統是通過探測二氧化碳的消耗量來計算光合速率，因此需要等氣孔導度、光合速率等數值穩定后才能開始測量。在這個過程中,紅薯葉通過吸水降低脫落酸濃度，逐漸解除了脫落酸的影響，最終氣孔導度穩定在了0.35 mol H2O/（m2·s）左右。通過氣孔直接吸收大氣中的二氧化碳顯然比通過碳酸酐酶將滲入細胞間隙的碳酸氫根轉換成二氧化碳再吸收要快很多，因此葉圓片法中葉肉細胞的能利用的二氧化碳濃度相對于測量系統測量要低很多。在二氧化碳濃度尚未達到二氧化碳飽和點前，如果二氧化碳濃度升高，則暗反應所能達到的最大速率增大，消耗NADPH和ATP增多。此時，需要更強的光照才能與最大的暗反應速率實現同步，即能吸收更強的光照達到一個更大的光合速率，因此光飽和點向右移動。而呼吸作用強度并不受光照強度影響，所以較低光照強度就能達到與呼吸速率相等，光補償點左移。

4 討論

紅薯葉是南方常見的蔬菜，葉子的質地較菠菜更硬，更適合打孔。筆者曾嘗試過用更高濃度的碳酸氫鈉，但碳酸氫鈉質量濃度達到4%時，因為溶液密度與葉圓片密度相近，葉圓片無法沉到溶液底部，這與譚潔敏等的結果一致；也嘗試過用稀釋的無糖碳酸飲料作為二氧化碳來源，但在0 lx的黑暗條件下，葉圓片因為碳酸分解形成的二氧化碳附著在表面上而浮起，影響了實驗結果。還嘗試過直接利用水中的二氧化碳的沉水植物，如黑藻、苦草、眼子菜等作為實驗材料，通過排水法測量不同光強下氧氣的產生量。雖然也可以擬合出光合曲線。算出光補償點和飽和點，但這個方法至少需要1 h才能出現明顯的、可供分析的現象，而且也沒有專用于研究水生植物光合特性的水下調制熒光儀進行驗證。

本實驗中葉圓片法和便攜式光合作用測量系統測量法相比，需要通過記錄每一個葉圓片的浮起時長，求出均值，然后進行擬合，消減簡陋條件帶來的誤差。葉圓片法實驗成本低，，而光合測量系統則成本較高。因此用葉圓片法繪制光合曲線，測算光飽和點和光補償點適合在高中生物實驗中因陋就簡地開展。就結果來說，兩種方法測得的光補償點相接近，但飽和點差異較大。如果教師能將有差異的結果展示給學生，以氣孔導度、二氧化碳來源的差異作為線索，引導學生通過小組討論進行分析推理、歸納表達，教師再對學生表達的內容進行評價。學生可以在這個過程中進一步加深環境因素對光合作用強度影響的理解，培養歸納概括、邏輯推理的科學思維，進一步發展生物學學科核心素養。

本研究通過量化光照強度，對葉圓片的浮起時長定量分析，以葉圓片浮起時長的倒數代表凈光合速率，再通過數學建模繪制出光合曲線，可以得出在一定范圍內，紅薯葉圓片的光合速率隨光照強度的增強而加快的結論。教師將定量分析引入實驗中，有助于學生在真實情境下對光合曲線、光飽和點和光補償點等重要概念的構建，完成對光合作用中物質與能量觀的理解和遷移。