种子萌发所需外界条件的拓展研究

吴雅静 （江苏省南京市金陵中学仙林分校中学部 江苏南京 210033）

本实验探究内容选自苏教版《生物学》7 年级上册第3 单元第5 章第1 节“植物种子的萌发”。教材中给出“影响种子萌发的外界条件是水或空气或温度”的假设，引导学生通过实验探究，得出实验结论。本文在教材推荐的实验变量的基础上，增加土壤、光照、营养液、模拟酸雨的酸性溶液4 个实验变量，探究这些外界条件对种子萌发的影响。同时将绿豆植株继续培养，以探究绿色叶片在光下是否产生淀粉。

1 原实验的不足之处

1）种子：教材中选取大豆种子或蚕豆种子。经实验发现，这2 种种子发芽慢，且观察周期长。

2）装置：教材推荐小容器，但未说明具体采用什么装置。

3）外界条件：教材中探究的外界条件为水、空气或温度。有学生提出质疑，仅根据这些实验变量判断种子萌发所需的外界条件不够科学，应该增加几种与植物生长相关的其他变量因子。

2 改进后的实验

2.1 优化与拓展之处

1）种子：选取绿豆种子为实验材料。绿豆种子只需1 d，胚根就可突破种皮。

2）装置：于南京仙东花卉苗木基地购置育苗盘。育苗盘由网格盘和底盘组成，种子放置于网格盘中，底盘盛水。种子萌发后植株的根由网格延伸至底盘中吸水，无需再放棉花或纸巾保持水分，也无需采取海绵等固定根系。育苗盘可盛装的种子数多，减少因种子数量少而引起的实验误差；网格盘格子整齐，方便计数。

3）外界条件：在教材所探究的影响种子萌发的外界条件基础上，增加土壤、光照、营养液、酸性溶液4 个调控因子。

4）注重教材前、后知识的联系：将绿豆幼苗在遮光和光照条件下的叶片颜色进行比较，发现叶绿素的形成需要光，这部分实验知识可应用到7 年级上册第6 章第2 节“植物光合作用的场所”。酸性溶液对绿豆种子萌发的影响可迁移至7 年级下册第13 章第1 节“模拟酸雨影响植物种子的萌发”。

2.2 实验器材 绿豆种子、育苗盘、标签纸、蒸馏水、冰箱、土壤、豆科植物营养液、白醋、蓄电植物生长灯等。

2.3 实验方法 教师组织学生利用课余时间查阅有关植物种子萌发的资料，设计实验方案，在课堂进行汇报。学生经过思维火花的碰撞后，设计出最佳实验方案。选择发芽快的绿豆种子为研究材料，采用育苗盘作为实验装置。教师将班级学生分为8 个小组，每个小组进行1 种实验变量的探究，小组合作完成本实验。具体的实验设计如下：

1）有水组：量取800 mL 蒸馏水于育苗盘中，随机选取40 粒绿豆种子均匀置于育苗盘网格上，整个装置置于朝南临窗的实验台上，室温为25℃。

2）无水组：随机选取40 粒绿豆种子均匀置于育苗盘网格上，不加水，放置环境同有水组。

3）无充足空气组：量取1 300 mL 煮沸再冷却的蒸馏水于育苗盘中，重复有水组操作，并在水面添加一些植物油以隔绝空气。

4）低温组：重复有水组操作，但将装置置于冰箱保鲜层，温度设置为4℃，并添加蓄满电的植物生长灯，设置植物生长灯每天的光照时间为8 h。

5）土壤组：将已高温灭菌的土壤覆盖在育苗盘网格上，随机选取40 粒绿豆种子均匀播种，再添加适量的蒸馏水，放置环境同有水组。

6）遮光组：重复有水组操作，将装置置于不见光但透气的实验室储物柜中。

7）营养液组：参考华南农业大学豆科营养液配方，配制豆科植物营养液作为肥料，量取800 mL营养液于育苗盘中，不再加水，之后重复有水组操作。

8）酸性溶液组：利用白醋配制酸性溶液（pH=3.0）以模拟酸雨，量取800 mL 酸性溶液于育苗盘中，不再加水，之后重复有水组操作。

在8 张标签纸上分别标记有水、无水、无充足空气、低温、土壤、遮光、营养液、酸性溶液，将标签纸贴在育苗盘附近。

2.4 观察与记录 学生连续7 d 每天定时观察并记录各变量组种子的发芽数量和植株高度，第7天记录植株主根长度等数据，填写记录表格，并拍照上传至生物科学探究微信群。同时，加水或溶液的变量组要及时添加适量的水或溶液，防止因水分或溶液不足而影响种子萌发和植株生长。

2.5 结果与分析

1）不同的外界条件培养的绿豆种子发芽势和发芽率

各组每天记录实验种子的发芽数量，再计算种子的发芽势和7 d 的发芽率。计算方法：发芽势（%）=实验时间内单日发芽数最多的发芽种子数/供试种子总数×100%；发芽率（%）=实验时间内发芽种子数/供试种子总数×100%。表1 是不同外界条件培养的绿豆种子的发芽势与发芽率记录情况，其中，发芽势统计的是种子萌发第1 天的数据，发芽率统计的是种子萌发第6 天的数据。绿豆种子出芽快，种子吸水后种皮胀破，胚根首先突破种皮发育成根。无水、无充足空气、低温、酸性溶液条件下，种子的发芽势和发芽率均为0。无充足空气组培育的绿豆种子种皮胀破，胚未发育，种皮脱落，种子逐渐腐烂、发臭。有水组、土壤组、遮光组和营养液组自播种24 h 后单日发芽数即达到最大值，其中，有水组培养的绿豆种子的发芽势和发芽率均达到100%，土壤组培养的绿豆种子的发芽势和发芽率相对较低。

表1 不同外界条件培养的绿豆种子的发芽势（种子萌发第1 天）与发芽率（种子萌发第6 天）

2）不同的外界条件对绿豆植株主根长度的影响。图1 为绿豆幼苗生长至第7 天时，不同实验变量对绿豆植株主根长度的影响。由图可见，在遮光条件下植株的主根最长，而土壤培养的植物主根最短。

图1 不同外界条件下培养的绿豆植株主根长度（均值±标准差）

3）不同的外界条件对绿豆株高的影响。图2显示了不同外界条件下培养的绿豆在7 d 中的株高变化。由图可见，不同条件培养的绿豆在7 d中的株高均呈上升状态。遮光条件下培养的绿豆种子，从第2 天起株高超过其他培养组，至第7天时绿豆植株高达30 cm，但植株瘦弱，易倒伏。土壤培养的绿豆植株株高略低于其他组。

图2 不同外界条件下培养的绿豆株高变化情况

3 讨论及结论

教师组织各小组学生根据种子的发芽势、发芽率和植物生长情况进行讨论交流，学生得出该组实验结论，教师进行实验结论汇总。

1）根据实验现象和测定的生理数据，可得出结论：影响绿豆种子萌发的外界条件有适量的水、充足的空气和适宜的温度。这是因为种子中所含的淀粉和蛋白质等物质在这些条件下，才能转变成能被胚利用的营养物质。绿豆种子在不加土壤、遮光、不加营养液培养的条件下均可萌发，说明绿豆种子的萌发与土壤、光照、营养液等因素无关。据表1 数据记录，模拟酸雨的酸性溶液培养的绿豆种子的发芽势和发芽率均为0，说明模拟的酸雨溶液严重抑制种子萌发。

2）将遮光组和有水组培养的绿豆种子的萌发状况相比较，表明光并不是影响绿豆种子萌发的条件。在遮光条件下，叶绿素无法合成，长出的植株叶片发黄，植株徒长，植株的主根长度和株高都超过其他组。这是由于光控制细胞的分化、结构和功能的改变，最终汇集成组织和器官的建成[1]。在遮光情况下，植株形态建成差，植物细胞分化能力减弱，细胞伸长能力强。教师可收集相应的图片，在第6 章第2 节“叶绿体是光合作用的场所”部分进行讲解。但有少数植物的种子，在有光的条件下才能萌发良好，例如，拟南芥、烟草和莴苣等[2]。

3）土壤作为植物生长的固定基质，在植物种子萌发和生长过程中并不是必需的。现代化的植物工厂里有大量的水培和雾培植物从播种开始生长。种子的子叶或胚乳中贮藏营养物质，为种子萌发提供营养，所以，种子萌发与外界是否施加肥料无关。pH 值为3.0 的酸性溶液抑制了绿豆种子的萌发，这也可联系7 年级下册教材第13章第1 节“模拟酸雨影响植物种子的萌发”的相关探究内容。

4 相关拓展

学生对于上述实验中绿豆植株在有光和遮光条件下的生长状况很感兴趣，对此提出问题：叶绿素的形成需要光，绿豆的绿叶光合作用究竟产生了什么物质？教师引导学生参考教材第6 章第3 节的相关实验内容，小组讨论并设计实验，教师再将实验流程进行汇总，带领学生共同完成该实验。经多次实验探究发现，将绿豆植株继续培养至第16 天时，实验现象就很明显。图3 展示的是绿豆播种培养至第16 天时叶片经酒精脱色后用碘液处理的实验现象，叶片遮光部分（中间）呈现浅黄色，照光部分（两端）呈现深蓝色，说明绿豆的绿叶光合作用产生了淀粉。由此可见，本实验选用的绿豆植株容易培养，叶片薄，脱色迅速，叶片含淀粉多，脱色后叶片完整不破裂，实验现象明显。

图3 酒精脱色后经碘液检测的绿豆叶片

综上所述，以绿豆为实验材料，探究影响种子萌发的外界因素，结果表明，绿豆种子萌发所需的外界条件是适量的水、充足的空气和适宜的温度，而与光照、土壤、肥料等条件无关，模拟酸雨的酸性溶液会抑制绿豆种子的萌发。同时对该实验进行延伸，将绿豆植株继续培养，对绿豆绿叶的光合作用进行探究，实验现象明显。相比教材中推荐的受试植物天竺葵，绿豆植株培养时间短，实验成功率高。本实验注重教材知识的前、后关联，增强了实验的连续性。教师在引导学生进行实验的过程中，学生的科学探究能力、实验创新能力和高阶思维等都得到了较大的提升，促进了学生的生物学学科核心素养的发展。