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[摘 要]对“观察植物细胞的有丝分裂”实验进行“低温处理生根”和“恒温水浴解离”两个重要改进,可大幅度缩短实验时间,明显提高实验成功率。
[关键词]实验改进;植物细胞的有丝分裂;低温处理生根;恒温水浴解离
[中图分类号] G633.91 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058(2018)20-0093-02
“观察植物细胞的有丝分裂”实验是高中生物的重点和难点实验之一,同时也是成功率最低的实验之一。在这个实验中,学生很难获得成功体验,其主要原因是:(1)处于分裂期的细胞数目太少。(2)解离、漂洗、染色时间过长。从人教版生物必修1中的实验来看,解离时间需3~5分钟,漂洗时间约10分钟,染色时间需3~5分钟,仅这三个步骤就需要约20分钟,学生很难在一节课内完成整个实验操作。(3)染色操作不好把握,要么染色太深,要么染色太浅,不利于观察。笔者刚开始带领学生做这个实验时,学生的实验成功率(成功观察到各个时期的细胞分裂图像)不到20%。笔者亲自做实验,成功率也不到30%,对此深感惭愧,于是决心突破“实验成功率低”这个瓶颈。在这以后的8年多时间里,笔者不断在实验材料、实验时间(上午或下午)、操作步骤、染色剂的选择等方面做改进,也参考学习了中国知网上的19篇论文,笔者的实验成功率有所提高,而学生的实验成功率也接近60%,但是完成实验的时间仍然比较长。笔者在反思中发现,这个实验在气温较高的时间去做,其成功率要略高于气温较低的时间,温度会不会对这个实验有重大影响呢?对此,笔者进行了多次尝试,终于通过“低温处理生根”和“恒温水浴解离”两个重要的改进,大幅度缩短了实验时间,明显提高了实验成功率,其中学生的实验成功率接近90%。笔者录制微课视频时,从剪取根尖到数码显微镜下展示出清晰的分裂期细胞图像,用时仅3分22秒。笔者现将整体改进后的实验操作与各位同仁交流,以期让更多的学生获得成功的实验体验。
【实验改进】
1.实验材料的改进
人教版生物必修1中的实验,选用洋葱根尖作为實验材料,而市场上购买的洋葱,培养后有时不能长出根或者生根数目较少(这种情况在广东地区尤为突出),培养过程对温度的要求较高,同等培养条件下每瓣大蒜生根数比单个洋葱还要多。对此,笔者用蒜瓣代替洋葱进行实验,将多个蒜瓣用铁丝或竹签连接成串,放在水槽中培养,一个水槽可同时放3~5串蒜瓣,每天换水一次,培养约2天时间,待蒜瓣的根尖长至3~5 cm,即可使用。有条件的学校还可以将蒜瓣放入人工气候箱中培养,这样生根效果会更佳。
2.培养过程的改进
按照传统操作,在装片镜检过程中会发现,绝大多数细胞处于间期,分裂相的细胞相当少,经过大量实践后,将大蒜在适宜温度(25℃左右)下培养1天后,再放入4~8℃冰箱中低温处理24小时,再移到室温下继续培养直至实验前,可以有效增加处于分裂期的细胞的比例。
3.解离过程的改进
将常温解离改为恒温水浴解离,提前在实验室准备好水浴锅,调节温度至60℃左右,取根尖2~3 mm,用刀片纵向轻轻地剖开根尖,置于解离液中,将盛有解离液和根尖的小烧杯先盖上皿盖,再放入水浴锅中温热30~50 s即可。学生在经验不足的情况下,容易解离不足或解离过度,导致细胞分散不开或细胞结构被破坏。因此,在将根尖放入水浴锅时就要仔细观察根尖的变化,待根尖边缘呈乳白色、中部呈透明状即可。
4.漂洗过程的改进
对于只安排1课时的实验而言,10分钟的漂洗步骤用时过长。因此,可以将解离后的根尖放入装满水的600 mL的中号烧杯中实现自动漂洗,由于根尖上的解离液和清水的密度不同,根尖会在清水中不定向地移动,待根尖静止下来,漂洗也就完成了。此过程不需换水,约40 s即可达到漂洗目的。本过程中有一难点需要解决,即漂洗后的根尖完全游离在清水中,学生要将根尖取出是有较大难度的,若用镊子夹取不易夹到目标,而且反复操作容易夹碎根尖,建议漂洗后用较细的毛笔或者毛刷缓慢地将根尖托出水面,再把根尖拨弄到玻璃皿中染色。
5.染色过程的改进
经过解离和漂洗过程的改进后,染色就变得容易了。将根尖放置于滴有2~3滴染色剂的玻璃皿中,完全浸没20s左右即可,醋酸洋红液(将0.5 g洋红溶于55 mL蒸馏水中,再加入45 mL冰醋酸充分摇匀后,加热煮沸10 min,冷却)的染色比质量浓度为0.02 g/mL的龙胆紫溶液清晰一些。
6.制片过程的改进
装片制作是否合理,是学生操作过程中的关键步骤之一,也是难点之一。若掌握不好压片的程度,细胞就不能充分散开来,出现相互重叠的情况,无法清晰观察到染色体。笔者以压片工具操作简单、易获取、效果明显为前提,在实验中广泛尝试各种身边的用具,如镊子、手指、铅笔、滴管、橡皮擦等。通过对比发现,使用铅笔(带橡皮的一端)、圆珠笔(带弹簧的一端)、滴管(带胶头的一端)等工具时,由于它们具有一定的弹性,比较容易掌控力度,效果较好。效果最好的是用橡皮擦,先在盖玻片上方5 cm左右自由落下橡皮擦3~5次,使细胞初步分散开,再用手捏住橡皮擦,用力敲击盖玻片(实践证明不会出现盖玻片破碎的情况),当观察到细胞呈云雾状散开后,即收到良好的细胞分散效果。
[实验反思]
“观察植物细胞的有丝分裂”实验需要运用到众多的生物实验操作技术,涉及取材、解离、漂洗、染色、制片和正确使用显微镜等关键步骤,每一个步骤都关系到下一个步骤的成功与否。该实验成功与否也将对后续实验“观察细胞减数分裂”“低温诱导染色体加倍”产生深远影响。近年来,许多同仁在共同目标的指引下,不断地改进与实践,逐步提高了该实验的成功率。
笔者对本实验的改进要点,一是低温处理生根。为了避免与“低温诱导染色体变异”混淆,低温处理方式有所区别。“低温诱导染色体变异”实验中待洋葱长出1 cm的不定根时,将整个装置放入冰箱中4℃处理36 h。而本实验是将大蒜瓣低温(4~8℃)处理24 h,甚至可以是刚刚用湿润纱布覆盖上的大蒜瓣,再移到室温下继续培养直至实验前。笔者后续对本实验条件下的分裂期细胞进行了核型分析,发生染色体变异的细胞极少,几乎可以忽略不计。
二是恒温水浴解离。这一改进明显缩短了实验时间。笔者和同事早在2010年就尝试过60℃恒温解离,当时侧重点是解离效果,费时约5 min左右。2012年,广州的周伯春、邓丽萍等老师发表在《生物学通报》上的文章中也提到60℃恒温解离的改进。周老师觉得盐酸浓度高,对学生的身体有一定的危害,故改用1 mol/L的稀盐酸60℃恒温解离8~10 min。周老师相当于是用温度去“稀释”了盐酸的浓度。后来,笔者在保证实验成功率的同时开始追求尽可能地缩短实验时间,于是又反复琢磨“恒温水浴解离”这一环节,受周老师实验改进的启发:“有没有降低危害又能快速解离的办法呢?”笔者突然想起加盖子的方法:在恒温水浴锅中放入一个600 mL的中号烧杯,注水约80 mL(以解离用的小烧杯置于其中刚好不晃动为准),调节温度至60℃,将盛有解离液和根尖的小烧杯先盖上皿盖,再放入水浴锅中温热,1 min内即可充分解离。这一改进没有改变人教版生物必修1实验中解离液的浓度配比,但是高温、高浓度、相对封闭的解离环境大大缩短了解离的时间,同时也缩短了学生和浓盐酸接触的时间,一定程度上规避了实验危险。“加皿盖”这一细微改进虽然历时5年时间,但是它带来更多的是成就和喜悦。正如每一项技术的进步,每一个课例的成功,都离不开研究者静心的反复揣摩和不断的尝试,更离不开研究者“咬定青山不放松”的锲而不舍的精神。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 肖桂枝,冯水平,厚今.大蒜有丝分裂指数与根长和取材时间的关系[J].承德医学院学报,2002,19(4):269-272.
[2] 周伯春,邓丽萍.关于“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”的实验改进[J]. 生物学通报,2012(8):46.
(责任编辑 黄春香)
[关键词]实验改进;植物细胞的有丝分裂;低温处理生根;恒温水浴解离
[中图分类号] G633.91 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058(2018)20-0093-02
“观察植物细胞的有丝分裂”实验是高中生物的重点和难点实验之一,同时也是成功率最低的实验之一。在这个实验中,学生很难获得成功体验,其主要原因是:(1)处于分裂期的细胞数目太少。(2)解离、漂洗、染色时间过长。从人教版生物必修1中的实验来看,解离时间需3~5分钟,漂洗时间约10分钟,染色时间需3~5分钟,仅这三个步骤就需要约20分钟,学生很难在一节课内完成整个实验操作。(3)染色操作不好把握,要么染色太深,要么染色太浅,不利于观察。笔者刚开始带领学生做这个实验时,学生的实验成功率(成功观察到各个时期的细胞分裂图像)不到20%。笔者亲自做实验,成功率也不到30%,对此深感惭愧,于是决心突破“实验成功率低”这个瓶颈。在这以后的8年多时间里,笔者不断在实验材料、实验时间(上午或下午)、操作步骤、染色剂的选择等方面做改进,也参考学习了中国知网上的19篇论文,笔者的实验成功率有所提高,而学生的实验成功率也接近60%,但是完成实验的时间仍然比较长。笔者在反思中发现,这个实验在气温较高的时间去做,其成功率要略高于气温较低的时间,温度会不会对这个实验有重大影响呢?对此,笔者进行了多次尝试,终于通过“低温处理生根”和“恒温水浴解离”两个重要的改进,大幅度缩短了实验时间,明显提高了实验成功率,其中学生的实验成功率接近90%。笔者录制微课视频时,从剪取根尖到数码显微镜下展示出清晰的分裂期细胞图像,用时仅3分22秒。笔者现将整体改进后的实验操作与各位同仁交流,以期让更多的学生获得成功的实验体验。
【实验改进】
1.实验材料的改进
人教版生物必修1中的实验,选用洋葱根尖作为實验材料,而市场上购买的洋葱,培养后有时不能长出根或者生根数目较少(这种情况在广东地区尤为突出),培养过程对温度的要求较高,同等培养条件下每瓣大蒜生根数比单个洋葱还要多。对此,笔者用蒜瓣代替洋葱进行实验,将多个蒜瓣用铁丝或竹签连接成串,放在水槽中培养,一个水槽可同时放3~5串蒜瓣,每天换水一次,培养约2天时间,待蒜瓣的根尖长至3~5 cm,即可使用。有条件的学校还可以将蒜瓣放入人工气候箱中培养,这样生根效果会更佳。
2.培养过程的改进
按照传统操作,在装片镜检过程中会发现,绝大多数细胞处于间期,分裂相的细胞相当少,经过大量实践后,将大蒜在适宜温度(25℃左右)下培养1天后,再放入4~8℃冰箱中低温处理24小时,再移到室温下继续培养直至实验前,可以有效增加处于分裂期的细胞的比例。
3.解离过程的改进
将常温解离改为恒温水浴解离,提前在实验室准备好水浴锅,调节温度至60℃左右,取根尖2~3 mm,用刀片纵向轻轻地剖开根尖,置于解离液中,将盛有解离液和根尖的小烧杯先盖上皿盖,再放入水浴锅中温热30~50 s即可。学生在经验不足的情况下,容易解离不足或解离过度,导致细胞分散不开或细胞结构被破坏。因此,在将根尖放入水浴锅时就要仔细观察根尖的变化,待根尖边缘呈乳白色、中部呈透明状即可。
4.漂洗过程的改进
对于只安排1课时的实验而言,10分钟的漂洗步骤用时过长。因此,可以将解离后的根尖放入装满水的600 mL的中号烧杯中实现自动漂洗,由于根尖上的解离液和清水的密度不同,根尖会在清水中不定向地移动,待根尖静止下来,漂洗也就完成了。此过程不需换水,约40 s即可达到漂洗目的。本过程中有一难点需要解决,即漂洗后的根尖完全游离在清水中,学生要将根尖取出是有较大难度的,若用镊子夹取不易夹到目标,而且反复操作容易夹碎根尖,建议漂洗后用较细的毛笔或者毛刷缓慢地将根尖托出水面,再把根尖拨弄到玻璃皿中染色。
5.染色过程的改进
经过解离和漂洗过程的改进后,染色就变得容易了。将根尖放置于滴有2~3滴染色剂的玻璃皿中,完全浸没20s左右即可,醋酸洋红液(将0.5 g洋红溶于55 mL蒸馏水中,再加入45 mL冰醋酸充分摇匀后,加热煮沸10 min,冷却)的染色比质量浓度为0.02 g/mL的龙胆紫溶液清晰一些。
6.制片过程的改进
装片制作是否合理,是学生操作过程中的关键步骤之一,也是难点之一。若掌握不好压片的程度,细胞就不能充分散开来,出现相互重叠的情况,无法清晰观察到染色体。笔者以压片工具操作简单、易获取、效果明显为前提,在实验中广泛尝试各种身边的用具,如镊子、手指、铅笔、滴管、橡皮擦等。通过对比发现,使用铅笔(带橡皮的一端)、圆珠笔(带弹簧的一端)、滴管(带胶头的一端)等工具时,由于它们具有一定的弹性,比较容易掌控力度,效果较好。效果最好的是用橡皮擦,先在盖玻片上方5 cm左右自由落下橡皮擦3~5次,使细胞初步分散开,再用手捏住橡皮擦,用力敲击盖玻片(实践证明不会出现盖玻片破碎的情况),当观察到细胞呈云雾状散开后,即收到良好的细胞分散效果。
[实验反思]
“观察植物细胞的有丝分裂”实验需要运用到众多的生物实验操作技术,涉及取材、解离、漂洗、染色、制片和正确使用显微镜等关键步骤,每一个步骤都关系到下一个步骤的成功与否。该实验成功与否也将对后续实验“观察细胞减数分裂”“低温诱导染色体加倍”产生深远影响。近年来,许多同仁在共同目标的指引下,不断地改进与实践,逐步提高了该实验的成功率。
笔者对本实验的改进要点,一是低温处理生根。为了避免与“低温诱导染色体变异”混淆,低温处理方式有所区别。“低温诱导染色体变异”实验中待洋葱长出1 cm的不定根时,将整个装置放入冰箱中4℃处理36 h。而本实验是将大蒜瓣低温(4~8℃)处理24 h,甚至可以是刚刚用湿润纱布覆盖上的大蒜瓣,再移到室温下继续培养直至实验前。笔者后续对本实验条件下的分裂期细胞进行了核型分析,发生染色体变异的细胞极少,几乎可以忽略不计。
二是恒温水浴解离。这一改进明显缩短了实验时间。笔者和同事早在2010年就尝试过60℃恒温解离,当时侧重点是解离效果,费时约5 min左右。2012年,广州的周伯春、邓丽萍等老师发表在《生物学通报》上的文章中也提到60℃恒温解离的改进。周老师觉得盐酸浓度高,对学生的身体有一定的危害,故改用1 mol/L的稀盐酸60℃恒温解离8~10 min。周老师相当于是用温度去“稀释”了盐酸的浓度。后来,笔者在保证实验成功率的同时开始追求尽可能地缩短实验时间,于是又反复琢磨“恒温水浴解离”这一环节,受周老师实验改进的启发:“有没有降低危害又能快速解离的办法呢?”笔者突然想起加盖子的方法:在恒温水浴锅中放入一个600 mL的中号烧杯,注水约80 mL(以解离用的小烧杯置于其中刚好不晃动为准),调节温度至60℃,将盛有解离液和根尖的小烧杯先盖上皿盖,再放入水浴锅中温热,1 min内即可充分解离。这一改进没有改变人教版生物必修1实验中解离液的浓度配比,但是高温、高浓度、相对封闭的解离环境大大缩短了解离的时间,同时也缩短了学生和浓盐酸接触的时间,一定程度上规避了实验危险。“加皿盖”这一细微改进虽然历时5年时间,但是它带来更多的是成就和喜悦。正如每一项技术的进步,每一个课例的成功,都离不开研究者静心的反复揣摩和不断的尝试,更离不开研究者“咬定青山不放松”的锲而不舍的精神。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 肖桂枝,冯水平,厚今.大蒜有丝分裂指数与根长和取材时间的关系[J].承德医学院学报,2002,19(4):269-272.
[2] 周伯春,邓丽萍.关于“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”的实验改进[J]. 生物学通报,2012(8):46.
(责任编辑 黄春香)