高中生物學有絲分裂實驗材料的改進與創新性研究

摘 要：創新教學是素質教育的特點，實驗教學則是生物學教育的基石。在中學生物學課程中，觀察生物細胞的有絲分裂是重要的生物學實驗。但是目前的課程采用植物細胞作為實驗材料，具有明顯的缺點。本文以模式生物粟酒裂殖酵母為突破口，分析有絲分裂實驗材料改進的可行性，并提出有絲分裂實驗教學的優化方法與思路，增強課程的創新性。

關鍵詞：高中生物學教學；有絲分裂；實驗創新；實驗教學

文章編號：1003-7586（2024）10-0049-03

中圖分類號：G633.91

文獻標識碼：B

新一輪基礎教育課程改革的核心內容是教學創新，教學創新的基石則是學科核心素質的教育創新。生物學是以實踐為前提的自然科學，實踐是提高學生能力的關鍵方法。因此教師應當注重生物學教學中的實驗教學，將實驗課創新納入教育創新。^{［1］［2］}目前多數高中生物學教科書的有絲分裂實驗章節，推薦的材料以紫色洋蔥的根尖為主。而選取洋蔥根尖進行有絲分裂觀察實驗具有一定局限，包括生長發育不良的紫色洋蔥出根率低、根尖細胞染色體形狀不直觀、染色效果不明顯、實驗結果難以觀測等。^［3］

在生物學研究過程中，模式生物是支持研究人員解決問題的關鍵材料。^［4］高中生物學教材已經編入了使用噬菌體和大腸桿菌進行噬菌體侵染微生物實驗、利用黑腹果蠅進行遺傳學實驗以及利用老鼠進行生長激素功能檢驗實驗的案例。^［5］1680年，荷蘭物理學家列文虎克（A. Leeuwenhoek）首次在顯微鏡下觀測到酵母。20世紀30年代，酵母開始作為模式生物被廣泛用于實驗室研究。20世紀60年代，美籍生物學家哈特韋爾（L. Hartwell）和英格蘭動物學家米基森（J. M. Mitchison）將裂殖酵母用于研究細胞生長發育與控制周期。目前，高中生物學教學中使用酵母開展了研究細胞呼吸方式、菌群數量變異、制作果酒和發酵葡萄糖等教學實驗。^［6］

粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）是子囊菌綱盤菌科裂殖酵母屬的一種單細胞桿狀真核生物。粟酒裂殖酵母是研究有絲分裂和細胞周期的理想模型生物。當其處于營養生長期時，細胞寬度保持不變，但細胞長度隨時間增加，當細胞達到特定長度時，微管蛋白開始收縮，染色體遷移到細胞兩極。此后，細胞中部發生收縮縊裂，并合成新的細胞壁和細胞膜，形成兩個大小相等的子細胞。這一過程為研究有絲分裂的基本機制提供了絕佳的實驗思路（見圖1）。^［7］

1 實驗教學的問題現狀及不足

1.1 實驗材料

高中生物學教材中，有絲分裂實驗選取紫色洋蔥的根尖細胞作為實驗材料。一般選擇老洋蔥，因為新洋蔥處在休眠期間，不易生根；學生培養洋蔥時要定期換水避免根尖腐爛；根尖的取用時間應在上午十點至下午兩點間，此時間段細胞正處在有絲分裂活躍期。上述材料的準備增加了實驗材料的預處理難度和實驗失誤概率。

1.2 實驗準備

學生根據生物學教材中的細胞有絲分裂實驗方法，采用鹽酸和乙醇混合溶劑（1∶1）對洋蔥根尖進行分解，解離時間為10～12min，解離完畢后，用清水漂洗解離后的根尖。

根尖分離是該實驗的關鍵步驟。實際操作中，解離劑容易導致洋蔥的原生質發生收縮，在漂洗過程中，脆弱的根尖容易損壞。此外，教材中所使用的鹽酸若漂洗不徹底，容易造成細胞染色錯誤。

1.3 實驗觀察

教材中采用濃度為0.01g/mL的龍膽紫溶液對洋蔥根尖細胞進行染色體染色，染色時間為1～2min。染色完畢后，用蓋玻片輕輕敲擊根尖，使細胞散開，再觀察根尖細胞的有絲分裂情況。

在實驗過程中，學生壓片操作時易用力過大，從而造成玻片損壞；染色液含量過高或染色持續時間過長，易造成細胞全部出現紫色，從而難以觀察。

2 實驗教學的改良與創新措施

2.1 實驗材料

筆者查閱文獻資料，結合教學要求對有絲分裂的實驗方法進行改進。本改進實驗選用粟酒裂殖酵母作為實驗材料，簡化實驗前的準備工作，采用微管蛋白與組蛋白被綠色熒光蛋白（GFP）或紅色熒光蛋白（RFP）標記的粟酒裂殖酵母，用正置熒光顯微鏡觀察細胞內熒光蛋白的標記情況，GFP標記的微管蛋白分布在整個細胞，RFP標記的染色體位于細胞中部。

2.2 實驗準備

實驗正式開始前需要先完成菌株的活化，選取少量菌株接種于裝有YE5S液體培養基的錐形瓶中，利用紫外分光光度計將菌液起始OD595值調為0.1左右并將錐形瓶置于25℃、200rpm/min的恒溫搖床中孵育10～14h，使菌株處于對數生長期。待菌株活化完成后，吸取1μL活化好的菌液滴加在載玻片上，蓋上蓋玻片輕壓10s，肉眼觀察到無較大的氣泡，即制片成功。

2.3實驗觀察

本改進實驗采用正置熒光顯微鏡觀察有絲分裂情況，學生可以觀察到在有絲分裂過程中，隨著細胞分裂的進行，粟酒裂殖酵母內GFP標記的微管蛋白聚集形成紡錘體，紡錘體逐漸伸長，將紅色熒光標記的染色體拉向兩級，細胞中部收縮縊裂，產生兩個大小相同的子細胞。

3 教學反思

按照教育部制定的《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》，并根據《基礎教育課程教學改革深化行動方案》和《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》規定，教師需把實驗教學作為課程體系的主要教學內容納入課程教學基本規范，以提升學生核心素質為導向，提高實驗教學應用性和創新能力。

有絲分裂是真核細胞分裂形成體細胞的過程，對細胞的繁殖、發展以及遺傳穩定性具有重要價值。在高中生物學課程中“研究根尖分生組織細胞的有絲分裂”是細胞分裂的主要實踐教學內容。然而，這種實踐教學存在效率低下、教學效果不佳、學生體驗感不強等問題。

粟酒裂殖酵母是單細胞真核生物，通常作為模式生物被用于研究有絲分裂周期以及檢查點。有研究使用熒光蛋白標記的粟酒裂殖酵母作為實驗材料，成功地觀察到有絲分裂的全過程。粟酒裂殖酵母具有培養簡單、繁殖快、便于采集和儲存、制片簡便的優勢。將熒光蛋白質標記在粟酒裂殖酵母基因組上，伴隨酵母的有絲分裂，熒光蛋白質標記也不會丟失，每個實驗結果都無須重復標記，有效降低了實驗操作的復雜性，且熒光蛋白質的可視性遠強于染色。熒光蛋白質標記的酵母細胞處在活細胞狀態，能更清晰地顯示細胞有絲分裂的真實情況。筆者選擇粟酒裂殖酵母作為實驗材料進行細胞有絲分裂觀察實驗，既可以保證實驗教學的科學性、創新性、安全性和實用價值，又可以推動傳統實驗教學和現代科技的有機融合，從而提高實驗教學的趣味性和吸引力，大大提高實驗教學質量和效果。

參考文獻

［1］王永旭.高中生物實驗教學面臨的問題及改進策略［J］.新課程研究，2023（23）：40-42.

［2］周麗云.核心素養視域下高中生物探究性實驗教學設計策略研究［J］.教學管理與教育研究，2022（21）：92-94.

［3］黃雄偉.基于基本理念的單元課時教學設計——以“有絲分裂”（第2課時）為例［J］.生物學通報，2023，58（10）：15-18.

［4］王凱.生命科學研究中常用模式生物［J］.生命科學研究，2010，14（2）：156-165.

［5］曾紅艷.高中生物學課程中的常用模式生物［J］.生物學教學，2011，36（11）：54-56.

［6］席興字.模式生物［J］.生物學教學，2005（11）：60-61.

［7］馮碧薇，陳建強，雷秉坤，等.酵母模式生物研究表觀遺傳調控基因組穩定性的進展［J］.遺傳，2010，32（8）：799-807.