路运才

摘 要：植物生理学是普通高等学校生物学专业和植物生产类领域的一门专业基础课程，属于基础理论学科，同时也是一门实验学科。结合现代教育信息技术的理论和方法，构建了基于经典科学实验和顶级学术期刊文献为主线的课程教学体系。以此充分调动学生熟练掌握理论知识，培养学生用严谨的科学实验思维去认识和分析植物生命现象和规律。

关键词：科学实验；植物生理学；课程体系

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）23-146-02

植物生理学（Plant physiology）是研究植物的生长发育与形态建成、物质与能量代谢、信息传递与信号传导等生命活动规律及其与环境相互关系的科学。该课程是高等农林院校生物学专业和植物生产类各专业领域的一门基础课程。植物生理学是一门基础理论与实验密切联系的科学，其理论知识来源于科学实验。植物生理学实验作为其教学的重要组成部分，既可加深学生对理论和实验基本原理的理解，又可强化训练学生的实验技能，培养学生严谨的科学素养、提高学生分析和解决问题的能力。因此，通过植物生理学的学习，使学生能够全面掌握植物生命活动的基本规律，解决农业生产中出现的与该课程相关的难题，为保障国家粮食安全和农业可持续发展做出贡献。

1 科学实验与植物生理学课程的关系

植物生理学是生命科学尤其是农林学科人才培养中重要的专业基础课程，是一门建立在科学实验基础上的科学。植物生理学从孕育、诞生、成长到发展阶段，近400a的发展史包含了无数个科学实验。如，孕育阶段荷兰人J.B.van Helmont设计的柳树盆栽称重实验、英国学者J.Priestley发现绿色植物具有“净化”空气的作用，开启了光合作用的时代；19世纪60年代，俄国植物生理学家季米里亚捷夫用自行设计的仪器对叶绿素的吸收光谱进行了研究，证明光合作用所利用的光就是叶绿素所吸收的光。M.Calvin于20世纪50年代采用14C示踪法和纸上层析技术，揭示了光合作用中CO2同化的历程，建立了卡尔文循环—光合碳循环。美国学者F.C.Steward 及其合作者通过研究细胞分裂素的功能，证明了植物细胞具有全能性（totipotency）。植物生理学的许多重大理论和发现都来自科学实验。当然，每一个经典科学实验的发现也将植物生理学学科的发展引向一个新的高度。因此，植物生理学科学实验是植物生理学教学体系中不可或缺的环节，通过讲解科学经典实验的设计思路、操作过程、结果和不足之处，不仅能够启发学生的创新思维，激发学生对科学家科学探索精神的憧憬和学习植物生理学的兴趣。而且通过对经典实验的详细讲解和分析，使学生如身临其境地认识和掌握理论。以每个章节的经典实验为主线，将科学实验和理论知识有机衔接，构建一个较为完整的课程体系。学生通过温习这些科学实验，不仅可以培养自身的科研思维能力，也强化了学生对植物生理学课程的整体认识和全面把握。

2 基于科学实验视角，构建植物生理学课程体系

植物生理学主要包括细胞生理、水分生理、矿质营养生理、呼吸与光合作用、植物生长物质、生长与生殖生理、成熟与衰老生理以及逆境生理等10章内容，在每个章节中都有一些经典的科学实验，而且有些实验属于综合性内容，涉及不同章节的内容。通过收集、整理及讲解经典科学实验的设计思路、人物、结论等内容引入到植物生理学课堂中，将植物生理学的基础理论知识和科学实验融会贯通，使学生既掌握了科学实验方法，又强化了理论知识的内在联系。下面分别将各个章节中主要的科学实验作一总结。

第一章，植物细胞生理的重点内容为植物细胞的全能性。通过讲解1902年德国植物学家Haberlandt提出植物细胞全能性的理论及1958年Steward等以胡萝卜为实验材料，利用人工培养基获得胚状体及胡萝卜新植株等内容，引出植物的每个细胞都具备发育成完整植株的遗传能力，即植物细胞全能性的概念。第二章，植物的水分生理，需要重点掌握植物细胞和根系对水分的吸收方式、途径及机理。通过讲解植物水孔蛋白（aquaporin）的发现、结构、特征、种类、分布、功能及其调控等科学研究进展强化学生对水分跨膜运输的认识；通过测定折断的玉米茎秆基部伤口流出汁液的压力及观察田间水稻叶尖排水孔的水珠等实验来领悟伤流和吐水等植物生理学现象及主动吸收方式。第三章，植物的矿质营养生理，讲解英国的John Woodward用雨水、河水、山泉水、自来水和花园土的水浸提液培养薄荷，发现植株在河水中生长较好，在土壤浸提液中生长最好及德国的J.Liebig 创建矿质营养学说、水培缺素实验以及中国农业大学武维华院士于2006年发表在cell杂志上的有关拟南芥根细胞K+通道活性的调控方面解读，使学生全面理解矿质元素的功能及植物对矿质元素吸收的机理等内容。第四章，植物的呼吸作用，涉及氧化磷酸化作用的机制问题存在一些假说。通过介绍英国生物化学家P.Mitchell提出的化学渗透偶联学说及美国生物化学家Boyer提出的ATP合酶的转化机制实验来解释ATP的生成。第五章，植物光合作用是植物生理学的重要一章，涉及1782年J.Senebier用化学分析的方法证明了二氧化碳和氧气是光合作用的主要成分；1939年英国Robert.Hill发现在分离的叶绿体照光后发生水的光解和放氧；20世纪40年代发现的红降现象及1957年Robert.Emerson观察到小球藻在用远红光和短波长光照射时，发现的双光增益效应；20世纪40～50年代，美国加州大学的M.Calvin研究和提出CO2同化途径；环割树木和蚜虫吻刺实验证明同化物运输途径和形式；比较压力流动学说、细胞质泵动学说及收缩蛋白学说来阐明同化物在韧皮部运输的机制。第六章，植物生长物质主要介绍生长素、赤霉素、乙烯、细胞分裂素、脱落酸等五大类激素及其植物生长调节剂。通过讲解Charles Darwin父子的虉草向光性实验、荷兰的Went开展的燕麦胚芽鞘弯曲实验、1926年日本人黑泽英一研究水稻出现恶苗病、1963年Miller等从玉米种子分离到玉米素、1964年美国的Addicott等从棉花中提取出脱落素、20世纪初期英国、美国等科学家证明乙烯是植物的天然产物和催熟激素等实验来阐明主要激素的发现历程。第七章，植物的生长生理包括1952年Borthwrick等在美国农业研究中心利用不同颜色的单色光处理莴苣种子，发现红光和远红光对种子的萌发截然相反，为光敏色素的发现提供了重要实验证据。2010年，阿根廷研究人员Sabrina E.Sanchez等在英国《自然》周刊上发表了一种调控生物钟节律的蛋白质方面的研究成果。上述发现有具体应用价值，尤其是在农业方面。比如某些植物的叶子越多，收成越好，而叶子数量取决于花期长短，花期则由生物钟控制。如果通过基因调控，改变这些植物的生物钟，就有望使它们长出更多的叶子，带来更好的经济效益。通过学习该文献，使同学们体会到植物生理学与农业生产实践在分子水平上的联系。第八章，植物的生殖生理包括了暗期间断对植物开花的影响实验、春化作用的发现等科学实验。2004年美国加州大学Yan Liuling等在美国science杂志发表了有关调控小麦春化作用的基因的研究成果，通过该文献的学习使同学真正领悟到现代生物技术对农业生产的贡献。第九章，植物的成熟与衰老一章涉及果实的呼吸跃变和马铃薯、洋葱等种子的休眠方面的实验。第十章，植物的逆境生理，重点讲述植物响应逆境胁迫条件下，依赖于ABA途径和非依赖ABA途径的发现、植物低温、干旱、盐害、病害等胁迫的响应机制查找和讨论在分子水平上的最新研究进展，使学生认识到气候变化对农业生产的影响。

3 结语

综上所述，以植物生理学课程每个章节中的经典科学实验及当今世界顶级学术期刊《cell》、《Nature》和《Science》上发表的有关植物生理学研究成果为主线，通过讲解和分析每个实验目的与意义、原理与方法、技术操作及实验结果等，演绎出相关的植物生理学理论和知识点，同时将各个章节的相关实验有机联系在一起，构建整个课程网络体系。随着现代生物技术的迅猛发展，植物生理学领域的科学研究不断深入，且研究成果显著，为植物生理学理论教学提供了丰富的素材。我们相信，通过本课程的学习，学生一方面能够全面认识植物生命活动的基本规律及其与环境互作的关系，同时系统掌握研究植物生命活动规律及其与环境间的方法和技术，学会用严谨的科学实验思维去认识和分析生命现象和规律。

参考文献

[1]李合生.现代植物生理学[M].高等教育出版社，2007.

[2]武维华.植物生理学[M].科学出版社，2012.

[3]慕自新，吕金印，周春菊，等.案例教学法在农科院校植物生理学教学中的应用[J].安徽农业科学，2014，42：9652-9653.

[4]李进，时德红.将科学史融入植物生理学教学的探索.新疆师范大学学报（自然科学版），2012，31：102-105. （责编：徐焕斗）endprint