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高中生物花粉萌發實驗延伸探討
研究者:楊伊琳、陳品妤
指導者:胡哲明教授 孫譽真老師
壹、 緒論
一、研究動機 歷年來高中基礎生物課程中的花粉萌發實驗,都是以非洲鳳仙花做為實驗
材料,使用不同濃度的蔗糖溶液對花粉進行培養,並以蔗糖溶液提供的滲透壓
為實驗課程中的操作變因,探討影響花粉管萌發的因素。 但是近期全球鳳仙花遭露菌病感染而大量死亡,老師們在準備上課用的實
驗材料時非常不便,我們第一個想要探討的問題,就是找到能替代非洲鳳仙花
做為萌發實驗材料的植物。 而在課堂上全班分組以非洲鳳仙花進行萌發實驗時,我們發現:雖然使用
相同濃度的蔗糖溶液培養,每組呈現的萌發結果差異卻相當大,不禁令我們好
奇,除了滲透壓,是否有其他因素也會影響花粉的萌發率呢? 另外上課老師準備實驗材料時,往往一次配置多量的蔗糖溶液以便眾多班
級同時使用,但我們發現蔗糖溶液在常溫下很容易變質,因此我們想要尋找可
以替代蔗糖提供適當滲透壓的物質,它必須易溶於水、水溶液在常溫較易保存、
具有不亞於蔗糖的萌發效果,還要容易在一般學校實驗室中取得。甘露醇分子
量大小與蔗糖相近、生物細胞幾乎不會使用且對生物無害,本實驗嘗試利用甘
露醇做為培養液的溶質,深入了解甘露醇溶液對花粉萌發是否能提供適當的滲
透壓。
二、研究目的 (一)尋找除了鳳仙花,在短時間內有高萌發率的植物,以作為花粉萌發實驗
課程的材料。
(二)探討非洲鳳仙花及海棠種山茶花花粉新鮮度對於花粉萌發的影響。
(三)探討是否有合適的物質可以替代不易保存的蔗糖作為滲透壓來源。
(四)改良現行高中課本中的花粉萌發實驗。
三、研究問題 尋找適合進行萌發實驗的素材,並探討非洲鳳仙花及海棠種山茶花粉新鮮度對
花粉萌發的影響。
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貳、 文獻探討
查詢文獻後,我們得知花粉萌發結果的影響因素,除了課本(趙等,民 99 年)提到的生長環境滲透壓外,培養液中不同濃度的鈣離子(Steinhorst and Kudla,2013)與硼離子會影響花粉管生長的長度(蔡等人,2004);不同濃度的鈣離子、鈉離子與鉀離子會影響朱槿的花粉萌發率(楊,2010);鈣離子、植物荷爾蒙或是雌蕊柱頭液,都會影響花粉萌發的情形(藍等人,2008);將百合柱頭液加入培養液中,會使劍蘭花粉的萌發率大幅下降(林與林,2007)。眾多研究顯示:培養液的成分也是影響花粉管生長的重要因素。因為課堂實驗中各組使用的是成分相同的溶液,所以上述這
些知識無法直接為我們解釋課堂上各組數據間的差異,但我們仍可從中了解到培養
液中的離子與其他添加成分對於花粉萌發有重要的影響。 有兩篇研究探討花粉的新鮮度對萌發率的影響(楊,2010)、(羅與田,2004)。前者是將花粉取下放在培養皿內,後者則是將花粉放入烘箱中,並皆於每日取出部分
花粉觀察其萌發率。雖然兩者皆顯示花粉的新鮮度為影響萌發的因素之一,卻不能
為我們上課實驗的問題提供完整的解釋,兩個實驗中所使用的花粉並不符合其在自
然界中的生長狀況。尤其後者,花粉在烘箱中放置越久,內部的水分會越少,在培
養液中會吸水而改變蔗糖所提供的滲透壓,增加了實驗的另一個變因。我們想到開
花時間或許會對於花粉萌發有所影響,剛開花與開花後數日的花粉或許會有不同的
萌發情形。課程實驗時,可能是有人使用了剛開的花,有人使用了快要謝的花,造
成實驗結果的差距,因此我們決定改良上述兩篇報告中的實驗方法,每天同一時間
於同一朵花取下花粉,觀察開花後不同天的萌發情形。
參、 研究方法:
本實驗進行花粉萌發實驗的方法是採用 Pollination Ecology: A Practical Approach書中的建議,配置花粉培養液,Ca(NO3)2 濃度 6 x 10-3 M,H3BO3 濃度 2 x 10-3 M,以花粉培養液為溶劑,配置各濃度蔗糖溶液。再取花粉與各濃度的蔗糖溶液分別放
入蔗糖溶液中,定時拿到顯微鏡下觀察其萌發率(每次隨機取 100 個花粉)與花粉管長度(每次隨機取 15 個)。
肆、 研究步驟
一、找出除了鳳仙花,在短時間內有高萌發率的植物,作為花粉萌發實驗課程的
材料。 (一) 配置花粉培養液,並以該溶液為溶劑,配置重量百分濃度各為 0%、5%、
10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%的蔗糖溶液。 (二) 在各懸滴玻片上分別滴上 70μι上述不同濃度的蔗糖溶液。 (三) 將各種植物的新鮮花粉(山茶花、金魚草、玉蘭、大花咸豐草、紫葉酢漿
草、九層塔、紫背鴨跖草、晚香玉、朱槿、海棠、仙客來、羊蹄甲、香水
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百合、鐵炮百合、櫻花)分別放入懸滴玻片上的蔗糖溶液中,攪拌均勻後
蓋上蓋玻片。 (四) 將玻片與一片濕潤的衛生紙放入密封盒內,避免水分過度蒸發,影響玻片
中蔗糖溶液濃度。 (五) 放置 2 小時後,分別在複式顯微鏡下觀察並紀錄花粉之萌發率(以花粉管
長度超過花粉最長直徑定義為萌發,在顯微鏡下隨機觀察 100 個花粉)。 (六) 將有高萌發率的植物花粉,置於純蔗糖溶液中培養(與課本實驗設計相符),
並觀察其萌發率。 二、探討鳳仙花及山茶花花粉新鮮度對於花粉萌發的影響。
在上一個實驗中發現,山茶花在短時間內有良好的萌發率,故此部分實驗只
以山茶花及鳳仙花為觀察對象。 (一) 配置花粉培養液,並以該溶液為溶劑,配置重量百分濃度各為 0%、5%、
10%、15%、20%、25%、30%的蔗糖溶液,因為先前實驗顯示在蔗糖濃度
40%及 50%時,花粉萌發的效果不彰,故不使用。
(二) 標記鳳仙花/山茶花的其中一朵花苞,並每日持續觀察記錄。從花藥開裂第一天開始,每天採一些花粉進行萌發實驗,但不摘下整朵花,直到花朵
凋謝或萌發率明顯下降。其中由於山茶花內圈(靠近中心)與外圈(靠近外圍)的花藥外觀與花粉量均有些不同,所以我們將山茶花分為內圈與外圈兩組
分別進行實驗。 (三) 在各懸滴玻片上分別滴上 70μι上述不同濃度的蔗糖溶液。 (四) 將新鮮的鳳仙花/山茶花花粉分別放入懸滴玻片上的蔗糖溶液滴中,攪拌
均勻後蓋上蓋玻片。 (五) 將玻片與一片濕潤的衛生紙放入密封盒內,避免水分過度蒸發,影響玻片
中蔗糖溶液濃度。 (六) 鳳仙花放置 2 小時,山茶花放置 3 小時,於每小時在複式顯微鏡下觀察並
紀錄花粉之萌發率(以花粉管長度超過花粉最長直徑定義為萌發,在顯微
鏡下隨機觀察 100 個花粉)。 三、探討是否有合適的物質可以替代不易保存的蔗糖作為滲透壓來源。
(一) 由於甘露醇(C6H14O6)不易被微生物分解而變質,故嘗試以甘露醇做為的溶液的滲透壓來源,並和蔗糖做比較。
(二) 由上述實驗二之結果我們可知山茶花與鳳仙花在蔗糖濃度 5%至 15%有較高的萌發率,故以培養液為溶劑,配置重量百分濃度 5%、10%、15%的蔗糖溶液。
(三) 滲透壓計算公式:π= i CM R T,其中π=滲透壓(atm), i=解離係數,CM=體積莫耳濃度(mol/L),R=理想氣體常數,T=絕對溫度(K)。在培養液中鹽類的體積莫耳濃度分別為 Ca(NO3)2= 6 x 10-3 M、H3BO3=2 x 10-3 M,假設完全解離,所提供的滲透壓仍然極小,故忽略不計。根據滲透壓計算公式計算
可得:在以培養液作為溶劑的蔗糖溶液中,重量百分濃度 5%蔗糖溶液的
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滲透壓約相當於重量百分濃度 2.7%的甘露醇溶液、重量百分濃度 10%蔗糖溶液的滲透壓約相當於重量百分濃度 5.6%的甘露醇溶液、15%蔗糖溶液的滲透壓約相當於 8.6%的甘露醇溶液。故以培養液為溶劑分別配置重量百分濃度 2.7%、5.6%、8.6%之甘露醇溶液。
(四) 在各懸滴玻片上分別滴上 70μι5%、10%、15%的蔗糖溶液與 2.7%、5.6%、8.6%的甘露醇溶液。
(五) 將新鮮的鳳仙花/山茶花花粉分別放入懸滴玻片上的蔗糖溶液滴中,攪拌均勻後蓋上蓋玻片。
(六) 將玻片與一片濕潤的衛生紙放入密封盒內,避免水分過度蒸發,影響玻片中蔗糖溶液濃度。
(七) 鳳仙花放置 1 小時,山茶花放置 4 小時,分別在複式顯微鏡下觀察並紀錄花粉之萌發率(以花粉管長度超過花粉最長直徑定義為萌發,在顯微鏡下
隨機觀察 100 個花粉),並隨機選取 15 個有萌發的花粉測量花粉管長度,再求其平均。
伍、 研究設計
先嘗試找出在短時間內有高萌發率的植物,再藉由所找出來的非洲鳳仙花與海棠種山茶來進行花粉新鮮度實驗,並測試使用蔗糖溶液和甘露醇溶液的差異。
陸、 結果與討論
一、 找出在短時間內有高的萌發率的植物,作為花粉萌發實驗的材料
蔗糖濃度 山茶花 金魚草 玉蘭 大花咸
豐草
紫葉酢
漿草 九層塔
紫背鴨
跖草
0% 37 6
0 0
1
0
0
5% 44 9 6 1
10% 62 21 5
0
15% 45 17 5
20% 36 5 6
25% 2 3 0
30% 0 2 0
40%
50% 皆為 0
萌發率(單位:%)
表一、各種花粉的萌發率(實驗兩小時後)
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蔗糖濃度 晚香
玉 朱槿 海棠 仙客來
羊蹄
甲
鐵炮百
合
香水
百合 櫻花
0% 1
0 0 0 0 0
0 3
5% 0 2 17
10% 0 0 21
15% 1 0 16
20.25.
30.40.
50%
皆為 0
萌發率(單位:%)
表一、各種花粉的萌發率(實驗兩小時後)
*山茶花在以培養液為溶劑的蔗糖溶液當中有高萌發率,因此針對山茶花花粉進行純蔗
糖溶液(與高中實驗課程相同條件)的培養
蔗糖溶液 1 小時 2 小時
0% 1 10
5% 20 50
10% 42 71
15% 23 34
20% 7 47
25% 0 0
萌發率(單位:%)
(一)山茶花的花粉於短時間內具有高萌發率,且萌發率在不同濃度的溶液中也有明顯
差異,可以看出不同濃度造成的影響,因此十分適合作為花粉萌發實驗的材料。
(二)山茶花的花粉對於鈣離子和硼離子並不敏感,不一定要在特別配製的培養液中才
能進行萌發,這使它成為方便的課堂實驗材料。至於為什麼山茶花對於鈣離子和
硼離子不敏感,推測可能是因為花粉粒中已包含足夠的離子,所以對外界離子的
仰賴程度低。
(三)山茶花的花粉大,生長出的花粉管也較粗、較鳳仙花筆直,方便學生於實驗中觀
察甚至進一步測量花粉管長度。
(四)雖然就茶花花粉本身而言,萌發狀況佳,且一朵花的花粉量十分龐大,是非常理
想的實驗材料,但海棠種茶花的價格並不便宜(一株可以開花的海棠茶花樹約值新
台幣 2000 元以上),且不是全年都會開花(花期約為 11 月至隔年 3 月),所以在花
粉的取得上有其限制。
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海棠山茶與非洲鳳仙的花粉萌發情形比較
圖一、海棠山茶花粉(400x) 圖二、非洲鳳仙花花粉(400x)
二、探討鳳仙花及山茶花花粉新鮮度對於花粉萌發的影響
(一)鳳仙花
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(二)山茶花:因山茶花平均開花時間長度為八天,故只針對開花第一到第七天作探討。
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(一) 鳳仙花花粉萌發率約於實驗第二小時達到高峰,山茶花花粉萌發率則約於實驗第三小時達到高峰。
(二) 山茶的內圈花粉在各濃度中萌發率普遍較外圈高,但外圈花粉較容易觀察出萌發率隨著蔗糖溶液濃度的變化。
(三) 鳳仙花的萌發率在第四天開始大幅下降;山茶花內圈萌發率略高於外圈,且兩者對滲透壓的反應略有不同,但萌發率都在第四天開始大幅下降。
(四) 我們在學校實驗課程中各組萌發結果的差異,可能是因為分別使用了開花天數不同的花朵。
(五) 原本我們推測木本的山茶花花粉活性持續時間會長於草本的鳳仙花,但實際觀測後發現兩者並沒有太大的差異。
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三、探討是否有合適的物質可以替代不易保存的蔗糖作為滲透壓來源
(一)鳳仙花
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(二)山茶花
茶花與鳳仙花之花粉萌發率在兩種溶液中差異並不明顯。而甘露醇相較於蔗糖更
容易保存,所以實驗課程中建議使用甘露醇來代替蔗糖。
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柒、 結論與建議
一、山茶花在 2 小時已有良好的萌發率,並隨著不同濃度的蔗糖有明顯的變化,而且相較於鳳仙花容易觀察,若時間許可,可以用來代替目前受到露菌病感
染而大量死亡的非洲鳳仙花,效果甚至優於非洲鳳仙花。 二、花粉的新鮮度確實為影響萌發率的一大因素。 三、在學校進行花粉萌發實驗時,建議可使用甘露醇液代替蔗糖液。 四、對於現行高中課本花粉萌發實驗之建議
(一) 相對於鳳仙花,山茶花在不同濃度的蔗糖溶液中呈現的變化較為顯著,較適合做為探討不同蔗糖濃度對花粉萌發造成的影響(這是課本的實驗目的)
。而鳳仙花的花粉小,花粉管又極細且生長彎曲,相較於鳳仙花,山茶花 容易觀察及測量許多。然而山茶花的萌發所需的時間(約 1 至 2 小時)還是 比鳳仙花(1 小時內)略長,不過高中實驗課通常為兩堂課(110 分鐘),時間 上仍是許可的。 (二) 學校在進行花粉萌發實驗時,由於班級數眾多,往往需要分成許多天進行。
若以容易保存的甘露醇液來代替蔗糖液,將可一次配製足量的溶液而無須
擔心溶液是否會在短時間內變質。 (三) 在課本中,萌發實驗只以滲透壓為變因,而未做其他說明。往往使學生誤
以為滲透壓是影響萌發率之唯一因素,但根據許多參考資料與我們自己設
計的實驗顯示,結果並非如此。所以課本若能於文字敘述中多加說明,或
在實驗課程後的「問題與討論」單元中引導學生對於影響萌發的因素有更
多思考,相信可以讓學生們對花粉萌發有更完整的認識。
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捌、 參考文獻
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germination and tube growth. 八、Dafni, A. (1992). Pollination ecology: a practical approach. IRL Press Ltd.
玖、 謝誌
我們很幸運能在高中階段能有做專題研究的機會,謝謝孫譽真老師帶領濛濛懂懂的我們進入生命科學的領域,謝謝胡哲明教授願意讓沒有一定基礎的我們進
入實驗室從頭學起,謝謝學長姐們總是耐心的教導笨拙又幼稚的我們,感謝孫譽
真老師、胡哲明教授、以及實驗室所有的學長姐們在這段期間對我們的教導,讓
我們學習到了很多東西。這一路走來,謝謝你們的指導、關心與包容,我們會繼
續努力的。