水生植物离体叶绿体的分离

摘要

人教版高中生物学必修1“绿叶中色素的提取与分离”实验未涉及离体叶绿体的相关内容，而相关试题常使学生感到困惑。为解决这一教学难点，尝试在不使用复杂分离介质（如蔗糖缓冲液）的条件下，探究利用自然水或自来水直接制备叶绿体粗提液的可行性。实验以水蕴草（或黑藻）等水生植物为实验组，菠菜等陆生植物为对照组。将叶片剪碎后加入自然水研磨，经纱布过滤后，通过低速离心获得叶绿体粗提液。分别在新鲜制备时及室温静置2 h后，观察叶绿体的色泽及沉降状态。结果表明，水生植物叶片在该体系中制备的叶绿体粗提液，其叶绿体在2 h内能保持较好的形态稳定性。该改进实验操作简便、成本低廉，有助于学生理解相关试题的考查逻辑，弥补教材实验的不足。

关键词

水生植物 / 离体叶绿体 / 自然水 / 自来水 / 分离

人教版高中生物学必修1第5章第4节“光合作用与能量转化”的内容，常以离体叶绿体为素材命制试题，但教材实验并未涉及叶绿体的分离与观察。通过查阅“细胞生物学实验”相关文献^［1-3］发现，常规叶绿体分离均以菠菜等陆生植物为材料，需配制特定的等渗缓冲液（如蔗糖溶液）以维持渗透压，防止叶绿体破裂。若仅使用自然水或自来水，陆生植物叶绿体极易因渗透吸水而胀破，导致实验失败。

结合生物学常识与生活观察，水生植物（如水蕴草、黑藻）叶片较薄，叶脉不发达，易于研磨；更为重要的是，其细胞长期适应水生环境，在低渗环境下仍能保持结构稳定。据此推测，以水培环境中的自然水作为分离介质，或许能直接分离并观察到结构完整的离体叶绿体。

在以下探究中，自然水指取自无污染池塘的表层水，自来水指经沉淀处理的市政饮用水，两者渗透压相近。若实验可行，将极大简化中学阶段的叶绿体分离操作，无需配制复杂的分离介质，具有良好的教学推广价值。

1 植物材料与实验用水

（1） 植物材料：陆生植物选取菠菜、瓢儿菜、甘蓝、茶花、幌伞枫、樟树；水生植物选取黑藻、金鱼藻、苦草及菹草。

（2） 实验用水：桃溪河自然水、遵义市第一中学的管道自来水。

2 仪器设备与实验耗材

（1） 仪器设备：Phenix凤凰数字生物显微镜、Max-200电子天平、1023型电动离心机、联想ThinkPad笔记本电脑。

（2） 实验耗材：离心管、研钵、纱布、烧杯、试管、玻璃棒、试管架、载玻片、盖玻片、滴管。

3 实验过程

3.1 实验方法

（1） 暗处理：将黑藻、金鱼藻、苦草、菹草、菠菜、瓢儿菜及甘蓝的新鲜叶片置于黑暗环境中24 h，以消耗叶片中储存的淀粉。

（2） 取样与研磨：分别称取上述植物叶片各10 g（每份设2 个平行样），用剪刀剪碎后置于研钵中，加入20 mL自然水或自来水，研磨约30 s。

（3） 过滤与离心：用200 目纱布过滤研磨液，收集滤液。滤液先于1 000 r/min离心5 min，弃去沉淀（含细胞壁碎片）；取上清液再以3 000 r/min 离心5 min，弃去上清液，沉淀即为叶绿体粗提物。

（4） 重悬与观察：向沉淀中加入5 mL自然水或自来水，轻轻重悬。吸取一滴悬液于载玻片上，在400×光学显微镜下观察。随机选取3个视野，统计叶绿体数量并计算平均值。

（5） 稳定性检测：将制得的叶绿体悬液室温静置2 h后，重复步骤（4）进行观察与计数，对比叶绿体形态及数量的稳定性。

3.2 实验结果

经不同介质处理后，各植物叶片中叶绿体的分离数量存在显著差异。自然水作为分离介质时的叶绿体数量统计结果见表1，自来水作为分离介质时的统计结果见表2。结果表明，水生植物在两种介质中均能保持较高的叶绿体得率，而陆生植物叶绿体在纯水中破裂严重。

3.3 结果分析

基于水生植物长期适应水生环境的特性，其细胞结构在低渗条件下仍能保持较高稳定性.这可能是由于其细胞壁具有较强的机械支撑能力或积累了特定的渗透调节物质。为此，笔者从叶绿体得率和稳定性两方面进行分析。

（1） 叶绿体得率分析。

实验结果表明，利用自然水或自来水均可有效分离叶绿体。对比表1与表2数据，刚分离时，水生植物叶绿体得率适中；陆生草本植物（菠菜、甘蓝等）得率较高；而陆生木本植物（茶花、樟树等）得率极低。究其原因，在于木本植物叶片革质化程度高、叶脉致密，在同等研磨条件下难以充分破碎，导致叶绿体释放受阻。

（2） 叶绿体稳定性分析。

实验结果表明，分离的叶绿体在2 h内可保持结构稳定。对比表1与表2数据，静置2 h后，陆生木本植物叶绿体已基本破裂消失；陆生草本蔬菜叶绿体出现皱缩变形；而水生植物叶绿体结构基本保持完整，数量无明显下降。这一结果证实，利用自然水或自来水分离水生植物叶绿体的方法具有可行性。

（3） 结论。

利用自然水或自来水直接分离水生植物叶片的叶绿体是切实可行的。该方法操作简便，且分离的叶绿体在2 h内可维持结构稳定，能够满足中学实验教学及相关试题解析的需求。

4 结语

该实验设计简易、操作便捷且现象直观，具有良好的教学推广价值。在中学命题设计中，可以水生植物为材料，创设“利用自然水分离叶绿体”的真实情境。围绕光合作用光反应阶段（如水的光解与氧气释放）、叶绿体结构与功能的适应性，以及希尔反应原理等核心考点进行设问。这种设计不仅有助于学生深入理解光合作用的基本过程，更能引导他们关注生物学原理在解决实际问题中的应用，从而有效提升科学探究能力与知识迁移应用能力。

参考文献

[1] 王宏刚，白艳玲，张文娟，等.黄瓜离体叶绿体转化方法［J］.中国细胞生物学学报，2016，38（11）：1366-1372.

[2] 邓勇，王宏炜，叶济宇.菠菜铁氧还蛋白的简易分离方法［J］.植物生理学通讯，2001（02）：142-143.

[3] 浦铜良，程佑发，张承烈.IAA及KCN在黄瓜子叶离体叶绿体氧化还原作用过程中的相互作用［J］.西北植物学报，2000（03）：358-363.