环境因素参与调节植物的生命活动

——以光对种子萌发的影响为例

编写：姚心洋

一、教学目标

1.通过分析种子萌发实例和科学实验数据，说明光作为信号在种子萌发过程中起调节作用，形成生命的信息观。阐明环境因素的调节与植物适应性之间的关系，形成进化观与稳态观。

2.通过分析资料及构建模型，认同光调节种子萌发的反应机制，认识植物生命活动调节的复杂性与整体性，培养归纳与概括等科学思维。

3.通过合作设计实验与小组互评，培养科学探究能力。

二、学习过程

【情境导入】

电影《流浪地球》中，领航员空间站冷藏了30万人类受精卵和一亿基础农作物的种子，储存着全球已知的动植物DNA图谱，并设有全部人类文明的数字资料库，以确保在新的移民星球重建完整的人类文明。种子的萌发需要哪些条件？需要光照吗？

实验1

分别用强光、弱光和黑暗条件处理绿豆种子，一段时间后，绿豆种子的发芽情况如右表所示。

实验2

用红光和远红光依次照射的方法处理莴苣种子，然后置于暗处。一段时间后，这些莴苣种子的发芽情况如右表所示。

红光（波长在660 nm左右）      

远红光（波长在730 nm左右）

分析：1.根据实验1的结果，你能得出什么结论？

2.根据实验2的结果，红光和远红光对莴苣种子的萌发有什么影响？

3.莴苣种子的萌发需要光为其提供能量进行光合作用吗？请说明理由。

4.研究发现，需光种子一般较小，储藏的营养物质也很少。从适应性的

5.角度分析，为何体积较小的种子萌发需要光照？

【形成概念】请总结光对种子萌发的作用。

【深入探究】

植物有用来感受光的“眼睛”吗？光是如何调节种子萌发的？阅读下列资料，回答相关问题。

资料①：1952年，美国某研究团队用不同波长的单色光照射吸水后的莴苣种子，发现红光能够促进莴苣种子萌发，而远红光则抑制种子萌发。并且用红光和远红光交替照射种子，种子的萌发率取决于最后一次照射的光的波长。据此，科学家推测植物细胞内存在一个能够感知光信号的“开关”。

资料②：1959年，巴特勒等用分光光度计从黄化的植物中检测到了吸收红光和远红光且可相互转化的色素，经提取发现是一种色素蛋白。随后，这种物质被命名为光敏色素。

资料③：一系列研究表明，植物为了能够感知周围环境的光强、光质、光向和光周期并对其变化做出响应，进化出了光感受系统（光受体）。这些光受体蛋白包括感受蓝光的隐花素和向光素、感受红光和远红光的光敏色素、以及感受紫外光B的UVR8蛋白等等。

分析：1.由资料可得，植物感知光信号的“眼睛”有哪些？（在材料中用横线画出）

其化学本质是什么？

     2.莴苣种子对红光的反应远比远红光敏感，已知经过红光-远红光-黑暗条件处理（实验2组2）下莴苣种子不发芽，若用红光-远红光-自然光处理，莴苣种子的萌发情况会如何？

3.联系本章所学，莴苣种子萌发除了受“光”这样的环境因素调节，还受哪些内源因素的调节呢？

资料④：为研究红光、远红光及赤霉素对莴苣种子萌发的影响，研究小组进行黑暗条件下莴苣种子萌发的实验。其中红光和远红光对莴苣种子赤霉素含量的影响如图甲所示，红光、远红光及外施赤霉素对莴苣种子萌发的影响如图乙所示。

资料⑤：黑暗条件下，种子中光敏色素主要为Pr型，经红光处理后转换为生理激活型Pfr，该信息经过转导，传递至细胞核内会引起核内特定基因的表达发生变化。例如，促进PIF1蛋白降解，解除其对植物激素赤霉素合成基因 GA3ox1/2 的抑制和对赤霉素代谢基因 GA3ox2 的促进，从而激活赤霉素信号，促进种子的萌发。

分析：1.由资料④分析，你能从图表中看到哪些实验现象？

2.两人一组合作，尝试根据课本P106及资料⑤，用文字、箭头等元素构建“光调控种子萌发的反应机制”示意图。

3.请尝试运用你所构建的反应机制示意图，推测“单侧光能使生长素在尖端横向运输”的作用机理。（注：生长素横向运输与载体蛋白有关）

【延伸探索】

植物生长发育的过程包括种子萌发、植株形态建成、开花、结果等等。而环境因素光照的特性包括光质、光照强度、光周期（光照期和暗期交替变化）和光的方向等等。

模式植物拟南芥基因组序列简单，生长周期短且种子数量多。

科学家对拟南芥开展研究时发现：

?         拟南芥的种子在黑暗下萌发会表现出黄化苗的表型，例如长下胚轴和闭合子叶、叶绿素不能合成；而在光下萌发则会表现出正常子叶张开的绿色小苗。

?         只有当日照长度超过14h时，拟南芥才会开花。

?         不同光质照射下，拟南芥雄蕊伸长的长度和雄性育性的表现不同。

?         光照条件下，拟南芥的耐盐性较高。

?         光照条件下，拟南芥植物侧根的发育情况较好。

......

分析：1.小组讨论，根据上述现象，围绕“光”对拟南芥生命活动的影响，你们还能提出哪些研究课题？      

       例如：探究光质对拟南芥幼苗形态建成的影响。

2.请利用文字和箭头补充下列示意图，总结“环境因素、基因表达、植物激素与植物生命活动”之间的关系。

【思考与讨论】

由于红光无法深入海底，海洋植物中如红藻和绿藻中只具有蓝光受体，没有红光受体。有趣的是，水藻中某种红光受体不仅能响应红光和远红光，还可以感知黄光、绿光甚至蓝光，海洋浮游生物密球藻的光受体也能感知不同光质。光受体功能的不同可能与什么有关？

教学反思：

本节课聚焦“环境因素参与调节植物的生命活动”中的一个方面，即“光照对种子萌发的影响”。通过科学实验数据和种子萌发实例，帮助学生理解光作为信号，对植物生命活动的调节作用，从而形成生命的信息观。其次，学生需要通过模型构建，透过现象看本质，分析并解释光调节种子萌发的反应机制。接着，提供相似的现象和充足的补充资料，要求学生做到举一反三，推测反应机制。最后，教学任务落实于实际应用，以模式生物拟南芥为例，设置开放性问题，学生通过合作，设计课题，从不同方面理解环境因素、基因表达和植物激素三者对植物生命活动的影响。此外，课堂最后设置了一个延伸情境，帮助学生理解结构的变化与适应性进化之间的关系。

实际磨课及公开课教学过程中，收获了以下经验：第一，问题指向要明确。例如对实验结果分析时，可以要求学生先分析现象，并且是全面客观地表述图表中的现象，再由这些现象得出结论。而不是设置概述性问题。第二，问题设置要有梯度。涉及到某一生理现象反应机制的学习内容往往难度较大，基因等分学生物学相关知识又较为抽象，所以在设计问题时要由易到难，逐步深入，并注重资料的可读性，给学生提供分析问题的支架。第三，重难点要明确，适当取舍。本节课内容教材中涉及到的因素有很多，光照、温度和重力等等，相应的对植物生命活动的影响也涉及多个方面。因此，在设计教学主线时可以先集中关注单一因素对植物某一生命活动的影响，再由学生自己探索相类似的反应机制。最后，关注课堂生成性内容。以生为本，在教学过程中，关注学生暴露的问题，以及基于课堂内容衍生出的思考，给予适时的评价，不拘泥于给定的答案。

本节课仍需改进的地方有以下几点：第一，有关远红光和红光对种子萌发的影响，在分析交替照射的结果时需强调远红光的逆转作用，关注学生长句作答用词的准确性和表述的全面性。第二，可以考虑提供资料，用以区分光作为信号和光提供能量对植物生命活动的影响，从而帮助学生理解光敏色素和光受体的不同。最后，板书设计可以适当改进，与课堂内容联系，适时跟进，呈现一个较为完整的思路或模型。