提高有丝分裂实验效果的尝试

杨远媛 赵京秋

（1北京市第三十五中学 北京 100035 2北京市西城区教育研修学院 北京 100000）

“植物细胞有丝分裂观察实验”为高中生物学必修1第6章第1节 “细胞增殖”部分的实验内容，是学生在学习了细胞生命系统的物质组成、结构和功能之后，认识细胞的产生、发展和消亡的过程。其中细胞的有丝分裂是学生后续学习减数分裂和遗传规律的基础，也是学习DNA复制及遗传信息传递的重要基础。本实验的实验目的是让学生学会运用根尖压片技术，制作临时装片，学会辨认洋葱根尖细胞分裂各时期的染色体特征。实验涉及材料的准备和培养、装片的制作、显微镜的使用、实验数据的处理等多方面的技能训练［1］。做好这一实验有助于促进学生理解实验各个步骤的意义，掌握有丝分裂各个时期的特征，提升学生对有丝分裂的理解和对生物学科的兴趣，达到培养学生生物学素养的目的。

本实验传统方法包括常温水培、取材、解离、漂洗、染色、压片等步骤［2－3］。 但在 实际教学实践中，笔者发现学生实验的成功率较低，分析其原因主要包括2个方面：在常规培养条件下植物洋葱根尖最高有丝分裂指数为4.22%［4］，有丝分裂指数较低，导致学生难以观察到各个时期的细胞；同时实验操作步骤多，每一步操作都有较多注意事项，各个环节都将直接影响实验的成功与否。因此本研究通过应用同步化技术从根本上提高植物细胞有丝分裂指数，同时改进实验步骤，改善整个实验的效果，提高实验的成功率。

1 实验准备

1.1 实验材料及器材

1）实验材料：洋葱根尖。

2）实验试剂：1.25 mmol羟基脲溶液、卡诺氏固定液（乙醇∶冰醋酸=3∶1）、酒精（95%）、解离液、清水、0.01 g/mL龙胆紫溶液。

3）实验仪器：显微镜，载玻片，盖玻片，镊子，剪刀，滴管，吸水纸。

1.2 实验材料的准备

1.2.1 实验材料的水培 传统实验为常温水培1周，笔者改进为常温+低温水培的方法，具体的做法为将洋葱在常温条件下水培1周，然后再放入4℃冰箱中培养1个月。如此处理可让洋葱长出许多根，且每条根都特别粗壮，避免根在长期常温培养条件下变细的缺点，一个洋葱即可满足40人左右班级的需要，极大减少了实验材料的准备工作。

图1 洋葱根对照组常温水培和实验组常温+低温水培的对比

1.2.2 根的同步化处理 利用化学试剂羟基脲进行同步化处理，可成倍提高根尖有丝分裂指数，具体操作如下：将0.095 g的羟基脲溶于1 L清水中制成1.25 mmol的羟基脲水溶液，将洋葱根置于该水溶液中培养28 h后，用清水清洗根5次，每次3 min，以此去除阻断剂，最后将根放入清水中恢复培养4～9 h。

1.2.3 固定 将有丝分裂指数处于较高时期的根尖剪下，用吸水纸吸干水分，将其放入卡诺氏固定液（乙醇∶冰醋酸=3∶1）中固定4 h以上。固定完毕后将根尖取出，再用吸水纸吸干液体。最后将根尖放入酒精中，在4℃冰箱中保存待用，注意保存时间不超过2个月。如果洋葱根尖细胞同步化后的恢复期恰好是实验课上课时间，固定这一步也可省略。

以上实验准备工作由教师完成，准备时间约为2 d，该操作可节省课堂制片时间，显著提高实验的成功率。

2 实验步骤

2.1 解离 与传统实验解离10 min相比，由于课前教师已完成了固定，此时将根尖取出只需用解离液处理5 min。注意要掌握好时间，如果时间过长，则易使分生区和伸长区脱节，不利于操作；过时间短则解离不足，压片时细胞不易分散。

2.2 漂洗 为了减少传统步骤中频繁更换烧杯和试剂等，本实验改进为在一片载玻片上完成所有实验的方法。具体操作为：滴加完解离液后，用吸水纸吸干液体，再滴加清水3次漂洗，每次1 min。这种方法操作简单方便，节省试剂，同时也减少解离后材料的移动和丢失。

2.3 染色 传统方法使用龙胆紫染色液对洋葱根尖细胞染色10 min，但染色效果不理想，很容易使细胞内的其他物质也着色。注意本实验为了改善染色效果，改为用质量分数为1%的龙胆紫溶液染色5 min后，再多加1个步骤：滴加解离液分色，分色时间为1 min。分色的原理是用解离液脱去细胞核中结合过多的染料和细胞浆中吸附的染料，以此去掉细胞内其他物质的着色，使细胞核和染色体着色更清晰可见。

2.4 压片 吸取多余染液和分色液，滴加1滴清水，小心盖上盖玻片，注意防止产生气泡。然后再覆盖吸水纸，用左手固定盖玻片，以免移位，右手拇指轻压盖玻片，使细胞分散，用吸水纸吸干多余的液体，即可观察。

2.4 改进后的实验步骤与传统实验的区别 与传统实验比较，改进实验做了如下系统调整：传统实验为常温水培，改进为常温+低温水培的方法，传统实验直接取材改进为同步化、固定后取材，同时还缩短了解离时间，简化漂洗用具，为了改善染色效果，在染色后多加1个分色步骤。

3 实验结果

植物细胞同步化技术是以药物或低温处理打乱细胞的分裂周期，使多数细胞同时停留在分裂周期的某一阶段［5］。本研究为了提高洋葱根尖细胞的有丝分裂指数，利用化学试剂HU（Hydroxyurea）阻断法［6，7］诱导了多数洋葱根尖分生区细胞同时停留在S期，通过清水洗脱去除HU阻断，使多数细胞同步化进入有丝分裂的下一个时期，以此达到提高有丝分裂指数的目的。通过显微观察统计多个视野中1 000以上洋葱根尖细胞有丝分裂指数发现：1.25 mmol的羟基脲同步化处理洋葱根尖28 h后，恢复培养4 h根尖细胞有丝分裂指数达12%，其中前期细胞较多，恢复培养9 h有丝分裂指数达到11%。其中中后期细胞较多（表1、表2）。对比观察传统实验和改进实验后的前期、中期、后期、末期的细胞（图2～图 11），笔者发现通过同步化处理洋葱根尖细胞各时期分裂指数提高了3倍以上，从根本上解决了洋葱根尖细胞的有丝分裂指数较低、实验成功率较低的难题。同时改进后的实验步骤当中，水培、同步化、固定由实验教师完成。解离、漂洗、染色、分色、压片由学生在课堂上完成，制片时间约为15 min。按照改进后的实验步骤操作使得所需实验材料减少，实验准备工作量减小，洋葱根尖细胞丝分裂指数提高，细胞染色体着色清晰便于观察，有丝分裂制片步骤简化，学生操作简单方便，因此实验成功率显著提高。

表1 1.25 mmol羟基脲处理28 h恢复培养5 h后有丝分裂各时期统计

表2 1.25 mmol羟基脲处理28 h恢复培养9 h后有丝分裂各时期统计

图2 传统方法实验后洋葱根尖间期细胞（400×）

图3 改进方法实验后洋葱根尖间期细胞（400×）

图4 传统方法实验后洋葱根尖前期细胞（400×）

图6 传统方法实验后洋葱根尖中期细胞（400×）

图7 改进方法实验后洋葱根尖中期细胞（400×）

图8 传统方法实验后洋葱根尖后期细胞（400×）

图9 改进方法实验后洋葱根尖后期细胞（400×）

图10 传统方法实验后洋葱根尖末期细胞（400×）

图11 改进方法实验后洋葱根尖末期细胞（400×）

4 本实验的教学安排

本实验安排在学生已经学习了 “细胞增殖”有关内容理论知识的基础上，学生对于细胞的分裂过程及各个分裂时期的染色体形态已有系统了解。通过本实验教学能让学生复习、巩固相关实验操作技能，深化对于有丝分裂过程的理解和认识。但由于常规实验条件下植物根尖细胞有丝分裂指数较低、实验的操作繁琐等原因使学生实验的成功率较低，传统教学按照验证实验的方法教学难以获得较好效果。因此笔者尝试进行小组合作式探究实验教学，具体的教学过程为：在学生按照传统书本实验操作后，根据实验中出现的问题，分小组分析实验失败的原因，提出改进实验步骤这一探究性课题。通过课题引导学生分小组探究改进实验步骤，小组展示探究成果。最后教师小结并加入同步化技术系统改进实验方案，指导学生按照改进后的实验步骤当堂操作，对比效果。小组合作式探究实验教学不仅能指导学生分析实验中每一步骤的作用、原理及技巧，深刻理解实验步骤的科学性和严密性，从中学习研究事物、解决问题的方法，同时也能让学生在一节课内观察到有丝分裂各个时期的细胞，并尝试对其进行排序，加深学生对有丝分裂整个过程及其各个时期特点的理解。小组合作式探究实验能将理论知识的学习延伸到科研实践，在潜移默化中培养了学生的科学精神和严谨的科学态度，让学生体会到学以致用的快乐。