根尖细胞有丝分裂实验优化

摘要

“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验是新课标理念下高中阶段生物学中的一个重要实验，但教材中该实验的实验步骤较为烦琐、染色效果差，在有限的课堂时间内成功率较低，学生的体验感较差。对此，从实验材料、实验步骤、染色方法等方面对该实验进行改进与创新，在达到较好实验效果的同时，为师生提供了一个具有借鉴意义的典型教学案例。

Graphical abstract

关键词

有丝分裂 / 根尖细胞 / 分生组织 / 实验优化 / 多孔细胞培养板 / 染色方法

“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”是人教版新教材高中生物学《必修1·分子与细胞》第六章第1节的一个观察类实验，课标要求学生能够利用高倍显微镜对根尖分生区组织细胞的有丝分裂进行观察，培养学生的科学探究和生物学实践能力，以促使生物学学科核心素养的达成和落实^［1］。除此之外，该实验还能加深学生对有丝分裂理论的理解，以及为后续学习减数分裂和“低温诱导植物细胞染色体数目的变化”实验奠定基础。

该实验主要包括临时装片的制作、显微镜的观察、绘图和计算细胞周期中不同时期的长短等环节，要求学生具有一定的实验操作、观察、识图、计算等能力。尽管高一学生已经初步具备相关能力，但通过以往的教学发现，该实验对学生来说仍然具有较大的难度，能观察到分裂期的概率较低。笔者从实验材料、实验步骤、染色方法等方面对教材实验进行了部分优化与创新，以供师生参考。

1 教材实验的不足

1.1 实验材料的局限性

教材推荐以洋葱作为实验材料，但按照教材的教学进度，该实验通常安排在每年的11月至12月，然而，洋葱在冬季会进入休眠期，生根缓慢、生根数量少且不整齐。特别是市售的洋葱大多经过加工或冷藏处理，更难生根甚至完全不生根，最终导致实验难以顺利进行。

1.2 实验烦琐且耗时长

按照教材实验步骤，整个装片制作需要近20 min，制片结束后还需用高倍显微镜进行观察以及绘图和计算有丝分裂指数，因此整个实验的过程大约需要30 min。很多学生难以在一节课的时间内完成该实验。此外，按照教材建议方法所取根尖较短，镊子难以夹取或根尖容易丢失。在制片环节中，学生第一次操作该实验，难以把握压片力度。由此可见，整个实验步骤的流程也亟待优化。

1.3 染色效果差

按照教材有丝分裂实验染液的配制标准，应选用质量浓度为0.01 g/mL或0.02 g/mL的甲紫溶液染色。但笔者在实验中发现，该浓度下的甲紫溶液会使细胞染色较深，且特异性较差（细胞质也被染成深色），通常整个细胞都会呈现深紫色，无法清晰地观察到染色体。

1.4 分裂期细胞数目少

为获得理想的分裂期细胞观察效果，教材建议在上午10时至下午2时之间进行实验^［2］。因为该时段洋葱根尖分生区有较多的细胞处于分裂期，更易于观察。在实际教学中，班级数量多、课程安排各异，多数班级难以在建议时段开展实验，实验时分裂期细胞比例显著降低，影响了实验教学效果。此外，不同品种的洋葱、室温等因素也会影响实验。

2 改进与创新

2.1 实验材料的改进

为了寻找合适的实验材料，笔者从农贸市场采购了几种常见植物的种子，如豌豆、蚕豆、绿豆，并购买了洋葱和大蒜，以此来筛选较为合适的实验材料。

实验材料的培养：先将种子清洗后分别放置在清水中浸泡若干小时，再将浸泡后的种子平铺在放有湿纱布的培养皿内。每个培养皿放10粒同种种子，每种种子设置3个重复，每天定时用清水冲洗一次^［3］。洋葱和大蒜则放置在装有水的烧杯中让其底部接触到水面，每天固定时间更换清水。在培养期间，分别测量平均生根3 cm所用的天数、根尖平均直径等数据，取生长健壮的根尖制成临时装片观察，记录镜检结果，实验结果如表1所示。

绿豆生根较快，仅需2～3 d即可用于实验，但镜检发现绿豆根尖细胞较小，染色体数目较多，不易观察；蚕豆染色体数目少，细胞较大，但蚕豆根尖较粗且比较硬，制片时很难形成单层细胞。笔者在蚕豆根尖解离前，对其进行纵剖并增加解离时间，经过这样处理后才观察到实验结果，但蚕豆生根时间太长，不宜作为课堂实验材料。综合比较之下，大蒜生根快且生根多，而豌豆染色体数目少，易于观察，因此大蒜和豌豆可以替代洋葱作为实验材料观察有丝分裂。

2.2 实验方法的改进

（1） 利用多孔细胞培养板简化操作步骤。

临时装片制作需要用到多只烧杯或培养皿，实验步骤烦琐。笔者进行了如下优化：剪取大蒜根尖1～2 cm，置于多孔细胞培养板中分别解离与漂洗；用镊子夹取漂洗后的根尖置于载玻片上，用刀片切取根尖1～2 mm，滴加染液染色。改进后，不仅根尖的夹取更为方便，还能够减少染液的浪费。很多学生对1～2 mm所在的分生区没有概念，笔者在实验时发现，根尖前端呈乳白色的部分大致为分生区所在部位，因此，剪取时只要将该部位剪取下来即可。除此之外，笔者还对制片方法进行了改进：当根尖在载玻片上染色完成后，吸去多余染液，盖上盖玻片，再用一次性吸管的头部或带橡皮的铅笔头进行敲打。通过反复验证，该方法不仅不会压碎盖玻片，而且易使细胞分散呈云雾状，从而形成单层细胞。

（2） 改进漂洗方法以缩短实验时间。

在教材推荐的实验流程中，根尖解离后的漂洗时间为10 min。笔者对其进行了改进：在多孔细胞培养板的不同孔中，分别对解离后的根尖进行3次漂洗，每次时间约为1 min，并镜检观察两种不同漂洗方法得到的装片，发现无明显差异（图1）。因此，更换清水的方法不仅可以缩短漂洗时间、加快课堂节奏，还能达到与漂洗10 min相近的效果，提高了课堂效率。

（3） 染色方法的改进。

笔者按照教材建议的配方（0.02 g/mL的甲紫）进行染色，发现该染液使得细胞染色过深，无法清晰地分辨出染色体（图2-a），推测可能是染液浓度太高造成的；然后，将染液稀释10倍后再进行实验，发现虽然比原来清晰了许多，但甲紫染液不仅会将染色体着色，还会将细胞质着色（图2-b）。笔者通过实验发现改良的苯酚品红几乎只将染色体染成深色，而细胞质接近无色，但该染液的渗透力与甲紫相比较差（图2-c），为了使染色更加均匀，笔者采用以下两种方法进行改良：①染色之前，用解剖针反复戳根尖，再染色3 min（图2-d）；②延长染色时间至4 min（图2-e）。从镜检结果不难发现，无论是用解剖针反复戳根尖，还是延长染色时间，两者都可以增强染色效果。

（4） 增加分裂期细胞的数量。

大蒜的分裂多集中在上午，下午分裂得较少，不利于观察（图3-a）。因此，可以待大蒜（或其他实验材料）的根尖长至3～5 cm时，于上午10时至下午2时剪取根尖并放置于卡诺氏固定液中，浸泡0.5～1.0 h，以固定染色体的形态，然后用体积分数为95%的酒精冲洗2次。若实验材料不立即使用，还可以将其放置在70%的酒精中保存，待使用时再取出。笔者发现该方法还有利于细胞解离、分散和增强染色体的嗜碱性，达到优良的染色效果，从而缩短后续解离和染色的时间（图3-b）。

3 拓展与延伸

有学生提出疑问：是否还存在其他因素影响有丝分裂指数？针对问题，查阅资料发现：低温、秋水仙素、8-羟基喹啉等都有可能影响有丝分裂^［4-5］。考虑到后两种试剂具有一定的毒性，笔者采用低温对大蒜进行预处理。清水培养大蒜根尖长至1.0～1.5 cm，然后将其放在4 ℃的冰箱内分别进行4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h低温处理；取出经处理的大蒜根尖后，用新鲜配制的卡诺氏固定液固定24 h，再用95%的酒精冲洗2次后保存于70%的酒精中；依次制作临时装片，每个温度处理选择3个作为重复实验的材料，每个根尖选择3个视野计算有丝分裂指数平均值。计算公式为：有丝分裂指数=分裂期细胞数量/视野中细胞总数×100%。

结果如表2所示，实验前的低温处理能在一定程度上提高有丝分裂指数。在一定的时间范围内，随着处理时间延长，有丝分裂指数呈增加趋势。因此，适当延长低温处理时间，有助于获得更理想的有丝分裂图像，从而提高实验教学的成功率。处理时间并非越长越好，过长的低温暴露可能导致细胞活性下降或结构损伤，在实验设计中需综合考虑效果与细胞状态，合理设定处理时长。

4 结语

通过系统的实验探究，从洋葱、大蒜、蚕豆、绿豆等多种备选材料中对比筛选出了根尖生长迅速、镜检效果好的几种较为合适的实验材料。在此基础上，改进了漂洗方法，优化了染色方法，这些改进措施显著缩短了整体实验时间，同时提高了课堂实验成功率。通过组织课外兴趣小组进行专题研究，成功探索出包括低温预处理在内的多种有效提升有丝分裂指数的可靠方法，使实验成效更为显著。这一完整的探究过程，不仅使学生掌握了实验技能，更锻炼了他们的主动探究意识、批判性思维、创新实践能力及团队协作精神^［6］，将生物学核心素养的培养真正落到了实处。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 吴丽芳，王国花，邹绍冬，等.有丝分裂实验中材料选择及处理方法对比研究［J］.实验教学与仪器，2015，32（7/8）：81-83.

[3] 任文韬.“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”的教学组织［J］.生物学通报，2012，47（07）：17-19.

[4] 秦素平，陈于和，董洪平，等.预处理剂对大蒜根尖细胞有丝分裂的影响［J］.河北职业技术师范学院学报，2002（04）：21-25.

[5] 赵广宇，麦祎凡，侯跃洋，等.“观察根尖分生组织细胞有丝分裂”实验改进及拓展探究［J］.生物学教学，2021，46（09）：56-58.

[6] 范云云，董文.在生物教学中培养学生的生物核心素养：以“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验教学为例［J］.实验教学与仪器，2022，39（10）：24-26.