植物逆境生理综合设计性实验的开发

李慧　李爱　高英　于玮玮　王金龙　彭立新

摘 要：植物生理学实验是植物生理学教学过程中的一个重要环节。课程组教师将科研成果转化为教学资源开设了“植物逆境生理综合设计性实验”，旨在从实验方案的设计、实验方案的实施以及实验结果的分析等多方面提高学生的科研探索精神，分析问题、解决问题的能力，团结协作精神以及学习的积极主动性，为高水平农科人才的培养奠定了很好的基础。

关键词：植物逆境生理 综合设计性实验 开发 资源

中图分类号：G642.423；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0137-02

植物生理学是研究植物生命活动规律及其与环境之间相互关系的科学[1]。它是生命科学、农学、园艺学等相关专业的专业基础课，在专业学习中具有十分重要的地位和作用。植物生理学实验是植物生理学教学过程中的一个重要环节。以往的教学多以验证性实验为主，这就大大地限制了创新性人才的培养。而综合设计性实验所需知识量大、设计要求高、实验难度大、数据处理复杂且要对已有知识能够灵活的综合利用[2]。这就需要教师在充分的准备、考证下开设相应有利于培养高素质人才的综合设计性实验。多年来，课程组一直致力于研究和开发有利于提高学生综合素质的实验项目，在完成4个验证性实验教学和相应的考核方法的基础上，结合教师的科研项目，将科研成果转化为综合性设计性实验内容，即植物逆境生理综合计性实验。

1 科研成果转化为教学资源

逆境是指不利于植物生存发育的各种环境因素，包括盐碱、干旱、低温、高温等非生物因素逆境和病虫害等生物因素逆境。大多数逆境胁迫都会引起植物活性氧积累、生物膜损伤和渗透胁迫等生理反应。结合天津市滨海土壤盐渍化的特点，课程组成员已对红花、胡卢巴[3]、沙枣[4]等植物耐盐生理机理进行了较为深入的探究，并总结出一套科学可行的实验体系。因此，课程组将科研成果融入到实验教学中，开设了“植物逆境生理的综合设计性实验”，以盐胁迫为主要逆境研究条件，探究不同程度盐胁迫下植物的生理变化，旨在加深学生们对逆境生理的理解，提高他们的科学探索精神、科研素养及对植物生理学学习的积极主动性。

2 实验方案的设计

综合设计性实验的核心之一在于实验方案的设计，这需要教师与学生付出一定的时间与精力去查阅文献，构思实验过程，对实验的可行性进行预测与评估。植物逆境生理综合计性实验就要求学生从选择植物材料、盐胁迫强度及逆境生理指标等方面对实验方案进行设计，充分调动学生学习的积极主动性，发挥他们的创新意识，提高他们的科研兴趣。

2.1 植物材料的选择

不同种植物的耐盐性会有所不同，同一种植物不同品种耐盐性也会有所差异。学生可自主选择本专业感兴趣的植物材料进行盐胁迫处理，分析所选植物材料的耐盐性。由于实验所用植物材料往往为幼苗，从催芽、育苗到苗期管理，工作量较大，以往教师需要花费很多的精力来培养植物材料。将植物材料的选择自主化，可以提高学生的实验兴趣与热情。每个班可以选取几位同学来负责植物材料的准备工作，在园艺学实验教学示范中心实验室开放管理的前提条件下，学生们从种子开始亲自动手准备植物材料，可以使他们深入认识植物的生长发育过程，提高他们的动手能力，并且可以为实验的顺利开展提供很好的植物材料基础。

2.2 盐胁迫强度的选择

根据植物的耐盐能力，可以将其分为盐生植物和甜土植物。盐生植物可正常生长的盐度范围为1.5%～2.0%，如碱蓬等。甜土植物对盐渍敏感，耐盐范围为0.2%～0.8%，大多数农作物属于甜土植物。甜土植物又可以根据其耐盐能力分为盐敏感植物和耐盐植物。学生们可以根据选择的实验材料自主查阅文献，了解所选植物的耐盐特性，选择合适的盐胁迫强度，进行盐胁迫处理。

2.3 植物逆境生理指標的选择

在植物正常的生长代谢中，植物细胞内活性氧的产生与清除是处于动态平衡的状态[5]。但当植物遭受到盐胁迫等逆境胁迫时，活性氧累积过多，导致动态平衡被打破。活性氧过多会造成膜脂过氧化作用，从而使膜结构破坏，进而引起一系列的生理生化紊乱。同时，活性氧还会直接破坏蛋白质、核酸等生物大分子，对细胞造成伤害。植物细胞中存在着一些抗氧化酶，可有效的清除活性氧，降低其对细胞的伤害。该实验选择典型的逆境生理指标—抗氧化酶类，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）进行实验，研究不同浓度盐胁迫下植物体内抗氧化酶活性的变化。通过实验可以使同学们对于抗氧化酶类的作用机理及测定方法产生更为深刻的认识。

3 实验方案的实施

综合设计性实验重点是要提高学生综合利用所学知识的能力。该次实验要求学生从催芽、育苗开始，同时结合植物矿质营养所学内容配制Hoagland完全营养液用于材料处理。在前期准备工作完成后即可进入逆境生理指标的测定过程。

实验过程中，对材料处理方法也进行了改进。于苗期将植物材料从基质中小心的连根取出，在操作过程中要尽量保持根部的完整性。随后将植物材料清洗干净后浸泡在提前配制好的含不同浓度NaCl的Hoagland完全营养液中进行相应的逆境胁迫处理，处理4 h后取植物叶片进行生理指标测定。与传统对植物材料浇灌NaCl溶液的处理方法相比，此方法可以减少处理时间，降低不同材料由于处理不当产生的误差。抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性的测定则采用课程组教师多年科研实践摸索形成的方法体系，便于操作且重复性好。同时，除了学生进行正常的实验操作步骤、掌握抗氧化酶活性的测定方法外，实验所用药品大部分也是在教师指导下由学生进行配制。此过程可以锻炼学生们动手能力，加深对生理反应的理解与掌握。此次实验不仅能使学生掌握研究逆境生理常用的实验技术和手段，而且可以提高学生们对所学知识的综合利用能力。

4 实验结果的分析

实验结果的分析是综合设计性实验的关键环节。在同学们前期查阅大量文献形成实验思路、动手操作得到实验结果后，结果与分析是对上述工作的很好总结与检测。该实验要求学生们按照科技论文的要求书写结果与分析，运用规范化的图表展示实验结果，并对结果进行详尽、科学的分析。最后，要求学生结合多种生理指标测定结果，对所选植物的耐盐特性进行初步总结。在教师的指导下，通过此环节的学习、锻炼，可为学生进行毕业论文的书写奠定很好的基础。

在“植物逆境生理综合设计性实验”的学习过程中，学生可对所学知识进行综合利用，通过查阅文献、产生疑问、设计实验方案、准备实验材料与用品、开展实验，对实验结果进行整理与分析等一系列过程的操作，提高学生们的科研探索精神，分析问题、解决问题的能力，团结协作精神以及学习的积极主动性。“授人以鱼不如授人以渔”，“植物逆境生理综合设计性实验”不仅可以使学生们深入掌握植物抗逆机理及研究逆境生理的技术和方法，而且使他们学到了进行科学研究的方法和思路，提高了他们的综合素质，为高水平农科人才的培养奠定了很好的基础。

参考文献

[1] 王忠.植物生理学[M].2版.北京：中国农业出版社，2008：526.

[2] 黄品梅，黄道平，梁锦.开发综合设计性实验促进创新人才之培养[J].实验室研究与探索，2010，29（6）：93-95.

[3] 李慧，王妙媛，彭立新，等.NaCl胁迫对胡卢巴幼苗抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响[J].华北农学报，2012，27（2）：185-188.

[4] 彭立新，周黎君，冯涛，等.盐胁迫对沙枣幼苗抗氧化酶活性和膜脂过氧化的影响[J].天津农学院学报，2009，16（4）：1-4.

[5] 廖祥儒，朱新产.活性氧代谢和植物抗盐性[J].生命的化学，1996，16（6）：19-22.