王 颖 许 艺 陈秉初 陈文荣

（浙江师范大学化学与生命科学学院 浙江金华 321004）

气孔是高等植物与大气进行水汽交换的主要通道，其开放程度直接影响植物的蒸腾、光合和呼吸作用，在生理上具有重要意义［1］。气孔运动不仅受到自身遗传、时间节律等因素的影响，还接受环境因子的调节与控制，例如水分、温度、光照、CO2浓度、外源激素等［2］。植物的光合和呼吸作用是高中生物学中的重要知识点，均涉及气体交换，此外，许多考题都考查了气孔相关知识，尤其是将气孔和光合作用的知识相联系进行考查。学生通过进一步探究光照、温度、CO2浓度对植物气孔开闭情况的影响，分析气孔导度与光合速率之间的联系，从而更加全面地认识气孔的结构和开闭机理，深入理解植物的光合作用过程。同时，通过对植物气孔开闭影响因子的探究，学生能参与探究实验的设计和方案实施，培养科学探究的能力，有利于生物学核心素养的养成。因此，本文对比了鸢尾（Iris tectorum）、剑 麻 （Agave sisalana）、迎春花（Jasminum nudiflorum）和紫竹梅（Setcreasea purpurea）4种观察气孔常用植物的气孔结构和数量，挑选出实验最佳材料，并探究了光照、温度和CO2浓度对该植物气孔开放率的影响，旨在为中学开展“探究环境因素对植物气孔开闭的影响”这一拓展性实验选择合适的实验材料，加深学生对气孔和光合作用的认识。

1 材料与方法

1.1 材料筛选 通过查阅文献，选择鸢尾、剑麻、迎春花和紫竹梅等4种观察气孔常用植物作为备用材料，直接撕取叶片下表皮进行制片，镜检。对比10倍镜下4种植物的气孔结构、数量和装片清晰程度，选择适宜进行气孔开闭数量统计的最佳材料。

1.2 方法 剪取同一植株上长势一致的叶片，利用恒温培养箱设置光照20000lx/23℃、黑暗/23℃、光照20000lx/4℃等3个处理;同时,在光照为200lx,温度为12℃的环境下,用系列浓度为0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L 的NaHCO3溶液进 行CO2处理；处理时间均为1h，每个处理重复至少3次。

处理完毕后用镊子撕取植物下表皮，放置在滴有清水的载玻片上，盖上盖玻片。每组处理制作3张装片，即3个重复，每张装片选取6个视野，约160～180个气孔，在10倍镜下观察气孔开闭情况并导入DP Controller 系统拍照，记录开放和关闭的气孔数量。

1.3 数据处理 用Excel 软件统计气孔开放率，计算每组气孔开放率平均值和标准差，采用SPSS 软件进行Duncan 检验和单因素方差分析比较不同处理间的差异（α=0.05），最后利用SigmaPlot 制图。

2 结果与分析

2.1 材料筛选结果 比较10倍物镜下鸢尾、剑麻、迎春和紫竹梅4种植物叶片下表皮细胞的镜像（图1）可知，鸢尾的装片清晰度高，表皮细胞形状规则；气孔与表皮细胞交互排列，结构明显，保卫细胞的细胞壁明显加厚； 气孔分布均匀且数量适宜，一个视野中大约有30个，最适宜气孔开放率的统计。其中，剑麻和迎春花的气孔数量过多，不适宜计数；鸢尾和紫竹梅的气孔数量适宜，且分布较稀疏。气孔结构以鸢尾和紫竹梅的清晰度最佳，但紫竹梅的装片清晰度不高，在撕取下表皮的过程中，容易粘连叶肉细胞。

图14 种植物叶片下表皮装片在光学显微镜下形态特征

2.2 光照对鸢尾气孔开放率的影响 在供水充足的条件下,光照是影响植物气孔开闭的主要因素［3］。对比不同光照条件下鸢尾的气孔开放率可知（图2）,光照处理的鸢尾气孔开放率可达91.78%,而黑暗处理下气孔大部分呈现关闭状态,开放率仅11.52%。未经光照处理的鸢尾依然存在部分气孔开放的现象,可认为是受到时间节律的控制。由此证明,光照能够促进植物气孔开放,加快气体交换的速率。

2.3 温度对鸢尾气孔开放率的影响 光照相同时，不同温度对鸢尾气孔开放率的影响也有差异（图3）。23℃处理下的鸢尾气孔开放率达到91.78%，4℃处理下的鸢尾气孔多数打开，开放率接近76.40%，处理间差异显著。比较2组实验数据可知，较高的温度能够促进气孔开放，随着温度下降，气孔开放率也下降。

图2 光照对鸢尾气孔开闭情况的影响

图3 温度对鸢尾气孔开放率的影响

2.4 不同NaHCO3浓度对鸢尾气孔开放率的影响 大气中的CO2对气孔运动的影响显著。从图4可以看出，低浓度NaHCO3溶液促进植物气孔开放，高浓度NaHCO3溶液促进植物气孔关闭。与对照相比，5g/L NaHCO3溶液处理下的气孔开放率由59.43%上升至81.71%，此后随着NaHCO3溶液浓度的上升，气孔开放率呈下降趋势，10g/L NaHCO3溶液处理下的气孔开放率下降至74.59%，15g/L NaHCO3溶液处理下的气孔开放率为62.93%，与对照不存在显著差异，当NaHCO3溶液到达20g/L 时，出现明显的抑制作用，仅15.80%的气孔开放。由于利用NaHCO3溶液创造不同浓度的CO2环境，因此可以认为NaHCO3溶液对气孔开闭的影响与CO2浓度对气孔开闭的影响是一致的，低浓度CO2促进植物气孔开放，高浓度CO2促进植物气孔关闭。

图4 不同NaHCO3 浓度下鸢尾叶片下表皮的气孔开闭情况

3 讨论与结论

气孔作为植物进行气体交换的主要通道，其开放率对光合作用起着直接的影响作用［4］。光照条件下，植物光合作用加强，胞间CO2浓度降低，气孔开放率增大（图2），大气中CO2进入叶片，增加胞间CO2浓度。也有研究表明，光照能促进植物细胞内苹果酸钾的大量形成，使得保卫细胞水势增加，促进气孔开放率上升。适宜温度下，光合酶活性较强，光合速率上升，植物为了获得更多的CO2原料，气孔逐渐打开（图3）。相关研究显示，叶温度蒸汽压亏缺也存在显著的相关性［5］。大气温度上升引起叶温上升，叶片内、外蒸汽压增大，植物通过气孔导度增大加速蒸腾，以维持叶温。当蒸腾速率升高到一定程度时，叶片水势降低，导致气孔导度减小，光合速率降低。气孔的数量和开闭程度对大气CO2浓度的改变非常敏感。低CO2浓度促进光合速率上升，气孔开放率增加（图4），以吸收大气中更多的CO2。而高CO2浓度为植物提供了充足的光合作用原料，较高的光合速率导致水分大量消耗，保卫细胞膨压减小，气孔开放率逐渐下降（图4）。气孔的关闭又导致胞间CO2浓度降低，反而使得光合速率下降。由此可见，气孔导度和胞间CO2浓度之间存在一个反馈环。此外，高CO2浓度引起的气孔导度降低和蒸腾速率降低，必然引起叶温上升，叶温上升又反过来促进气孔开放［6］。可见，各相关因子相互反馈，存在复杂的关联。从气孔和光合作用的联系上来看，适宜的光照、温度和CO2浓度促进植物的光合作用，导致胞间CO2浓度下降，为获得充足的光合作用原料，气孔逐渐开放。而气孔的开放又反过来促进光合速率上升。值得一提的是，光合速率的限制因素有气孔因素和非气孔因素两大类：气孔因素主要与CO2供应有关，而非气孔因素主要与叶肉细胞的同化能力有关。不同情况下，气孔关闭对光合速率下降的贡献率是不同的。因此，不能简单认为气孔导度与光合速率之间存在正相关的关系。在进行该探究实验时，教师必须明确这一点，防止学生产生误解。

鸢尾低温下气孔开放度仍较高（图3），表明其具有较强的耐寒性； 同时，气孔开闭度受外界CO2显著影响（图4），气孔限制可能是其光合速率的主要限制因子。从实验效果来看，鸢尾表皮易撕取，不易粘连叶肉；气孔结构明显，数量适宜，分布均匀，便于观察气孔开闭情况和数量统计，且均受温度、光照及CO2等环境因子显著影响，实验效果明显。实验教学是促成学生达成生物学核心素养的重要支撑。通过探究光照、温度、CO2浓度对植物气孔开闭情况的影响，学生能对气体交换过程、气孔和光合作用以及两者的联系有更加深入的理解，同时能切身体验科学探究的一般过程和基本方法，提高实验设计的能力。综上所述，“探究环境因素对植物气孔开闭的影响”可作为课外拓展性实验在高中实验教学中进行推广。