探究捕蝇草捕虫裂片的夹合机制

探究捕蝇草捕虫裂片的夹合机制-1-摘要捕蝇草（Dionaeamuscipula）拥有奇特的捕虫裂片，裂片的上表面生长着几对感觉毛。当裂片受到刺激时（如感觉毛被触动，低温，灼烧，刺割等），裂片会以迅雷不及掩耳之势闭合。我通过自己设计的实验，初步探明了捕蝇草捕虫裂片的夹合机制。主要试验方法有：表面标记、电信号检测、冰冻切片、染色观察、浸泡实验等，记录到了闭合瞬间的特殊电信号，并观察到了裂片细胞在闭合前后的形态变化。总结如下：受到外界刺激后（比如虫子碰到感觉毛），裂片中会产生一种特殊的电信号，同时裂片的上表面细胞失水变短，下表面细胞吸水变长，“一短一长”作用下，裂片便快速卷缩、闭合。此外，我发现捕蝇草并不需要一些科普文章所说的20-30s内触碰两次感觉毛（百度百科2017，维基百科2017,植物百科2014）才会闭合，激光照射、零上低温处理、刀片轻割等刺激均可引起闭合。因此，一向被认为在闭合过程中起比较重要作用的“感觉毛”可能只是将昆虫触碰这种轻微的刺激进行了放大。此外，在实验过程中还解决了一些技术上的问题：1.测电信号时，为了触发裂片的闭合，我采取了激光灼烧的方法，可以在很大程度上避免机械触碰“感觉毛”引发闭合而产生的噪音。2.用“晶体消融法”测量裂片横切面细胞的渗透压，可以反映出每一个细胞之间的渗透压差异。3.通过对裂片的上下表面施加不同浓度的溶液，还原出闭合瞬间水分在裂片中可能的运动规律，操作简单，成本低。关键词：捕蝇草捕虫裂片闭合机制电信号变化胞间水分流动晶体消融法-2-目录1.研究背景....................................................................32.研究目的....................................................................33.仪器与试剂..................................................................33.1实验仪器.................................................................33.2实验试剂.................................................................33.3实验材料.................................................................34.实验步骤与结果..............................................................34.1实验一：对捕虫裂片的外表面进行均匀的标记，观察闭合前后裂片表面尺寸的变化34.2实验二：制作测试生物电信号的电极.........................................74.3实验三：捕捉裂片受到刺激和闭合瞬间所产生的生物电信号....................74.4实验四：用浓盐水和清水浸泡裂片，观察水分在裂片中的运动规律............134.5实验五：对裂片进行切片观察，并使用多种染色方法进行染色.................164.6实验六：计划实验----晶体消融法测裂片渗透压.............................205.创新点.....................................................................216.心得与体会.................................................................227.反思与展望.................................................................22-3-1.研究背景：捕蝇草（Dionaeamuscipula）是一种非常有趣的食虫植物（如图1）。小虫子被捕蝇草的艳丽外表和特殊气味所吸引，落入捕蝇草的捕虫夹（捕虫裂片）内便会触发裂片在0.1s内迅速闭合，被裂片夹住的小虫便只能乖乖地被裂片所分泌的酶液逐渐消化掉。目前国内尚未有有关捕蝇草裂片夹合机制的研究，植物学教材中提到的相关内容仅仅限于引用国外的研究成果进行科普。我希望用自己设计的实验，探明神奇的捕虫裂片如何快速闭合。图1捕蝇草2.研究目的：研究捕蝇草的捕虫裂片的特征和闭合时引起的电压变化，深入理解植物的感性运动。3.仪器与试剂：3.1实验仪器：Leicacm3050s冰冻切片机，麦克奥迪BA310-T型生物光学显微镜，生物电检测装置（A-MsystemSystemModel3000放大器，CEDMicro1401数模转化器，spike2分析软件和电脑），切片刀，剪刀，镊子，滴管，注射器，水浴锅，显微测微尺，激光笔,废弃干电池，导线，泡沫板，烘箱，昆虫针，砂纸，绝缘漆，钳子和漆包线，头戴式放大镜，昆虫针，透明坐标硫酸纸，手喷漆，定性滤纸。3.2实验试剂：偶氮荧光桃红，苯胺番红染液，苯胺固绿染液，20%NaCl溶液，亚甲基蓝染液，石蜡，饱和Na2SiO3溶液。3.3实验材料：捕蝇草（Dionaeamuscipula）。4.实验步骤与结果：4.1实验一：对捕虫裂片的外表面进行均匀的标记，观察闭合前后裂片表面尺寸的变化（图2）。-4-图2用自制标记器对裂片外表面进行标记第一代标记法：激光标记（1）取少量饱和硅酸钠溶液，向其中加入少量偶氮荧光桃红粉末，搅拌直至溶液变成深红色。（2）将废旧的光学显微镜载物台上的轨道标尺拆下，加上激光笔和小方格纸改造成一个简单的标记器。（3）用热熔的石蜡小心地将捕虫裂片的两瓣撑住，不让之发生闭合和形变，然后将整个裂片完整的从植株上剪下。（4）将剪下的裂片竖起来放在一个水平面上，打开标记器上的激光笔，让光点落在其中一瓣裂片靠左边缘2mm的位置，然后用昆虫针蘸取一小滴第一步中配好的饱和硅酸钠溶液，小心地点在光点中间。（5）旋动标记器上控制水平方向移动的旋钮，光点随之在裂片上水平移动。每向前旋进1mm便停下，用步骤四中相同的方法在裂片上标记点，一直标到裂片右端。这样裂片便被从左到右标上了排列在一条水平线上、间距均为1mm的标记点。（6）旋动标记器上控制竖直方向移动的旋钮，使光点在裂片上竖直移动1mm，用同样的方法做标记，然后使光点水平从裂片右端向左端移动，也是每隔1mm做一个标记，这样裂片便被从右到左标上了第二排间距相等的标记点。标记到与第一排最左边的点对齐时，再向下移动1mm向右标记，如此来回“S”型标记，裂片上便被标上了行、列间距均为1mm的点阵。（7）待深红色的硅酸钠标记点干了以后，小心地用刀片刮下并撤走撑在两瓣裂片之间的石蜡，这时裂片会闭合。将裁剪成比裂片略大的坐标方格纸铺在点阵上，尽量让每一个点都接触-5-到方格纸，然后用油性笔在方格纸上与每一个点接触的地方轻轻标记上。这样便在方格纸上留下了一个新的点阵。（8）将方格纸置于显微镜下（4倍物镜，10倍目镜），用显微测微尺测量各个点的间距，将记录的数据与裂片闭合前各点之间的间距（均为1mm）作对比，分析差异。经过数次实验后，我不得不放弃这种方法：一个点一个点往上标工作量太大，而且张开状态下的裂片并不是标准的平面，而是个稍微向内凸的曲面，而我标记的点的间距1mm和是两点之间在水平方向上的距离，与两点在曲面上的实际距离会略有偏差。第二代标记法：喷墨标记（1）将透明胶贴在方格纸上，用极细的昆虫针从贴着透明胶的一面在每个格点上戳出小洞。戳的时候要戴上头戴式放大镜，以尽量使每个洞都戳在格点上。这样在透明胶上便留下了排列均匀、横纵间隔均为1mm的小洞。（2）用热熔的石蜡小心地将捕虫裂片的两瓣撑住，不让之发生闭合和形变，然后将整个裂片完整的从植株上剪下。（3）小心地将透明胶从方格纸上撕下来，再贴到捕虫裂片的下表面上。贴的时候注意一定要贴紧，若透明胶和叶表面之间有空隙则会对实验结果产生影响。（4）用手喷漆对准贴着透明胶的裂片喷漆。喷完一次后，在漆尚未完全干掉的时候轻擦去透明胶上多余的漆，然后再喷一次。经过这样的操作，唯有透过透明胶上的洞的漆雾颗粒可以留在裂片表面，其余的漆均被透明胶挡住。（5）待漆干透，小心地揭掉透明胶，这时可发现裂片表面被均匀地喷上了间隔为1mm的墨点（图3）。图3-6-第三代标记法：（1）用热熔的石蜡小心地将捕虫裂片的两瓣撑住，不让之发生闭合和形变，然后将整个裂片完整的从植株上剪下。（2）与第二代标记法一样，在透明胶上戳出洞。但不必戳那么多，只需戳两个纵向相距6mm的点即可，分别记作A、B点。（3）将透明胶紧贴在裂片下表面，并用两根昆虫针透过透明胶上的那两个点对裂片进行穿刺，这样便在裂片的下表面上留下了两个相距6mm的伤口点，分别记为1、2号点（分别与A、B点对应），其中1号点靠近裂片上缘，2号点靠近裂片基部。（4）轻轻拔出2号点上的昆虫针，揭起透明胶，卸除石蜡，裂片闭合，这时再将原先那张透明胶重新贴上去。再用拔出来的昆虫针透过一号点穿刺，在透明胶上戳出新的C点。（5）对比A、B、C三点，发现AC间距离大于AB间距离（图4）。图4【实验结论】：闭合后，整个裂片向内卷缩，下表面向外凸出，整个下表面（从裂片上缘到裂片底部）变长了（约1mm）。我推测，闭合瞬间是下表皮细胞变长了，伴随上表皮细胞的变短。4.2实验二：制作测试生物电信号的电极（1）购买0#号昆虫针(直径0.3mm)，用钳子夹住昆虫针带帽子一端(不需要镀绝缘漆)，放入绝缘漆中，使昆虫针缓缓拔出，然后倒置插在泡沫板上，放入烘箱，烘干绝缘漆。-7-（2）待绝缘漆被烘干后，将昆虫针尖端往砂纸（最细型号的砂纸）上轻轻一划，暴露尖端。（3）用废弃的干电池作为电源，用两根导线，一条将做好的电极与电池正极相连，另一条与电池负极相连，将电极的尖端和连接电池负极的导线，放入盐水中，如有气泡产生，则证明电极可以使用，如果没有气泡产生，则再将电极在砂纸上划一下，直至有气泡产生。【实验结果】：成功制作了测试生物电信号的电极，如图5所示。4.3实验三：捕捉裂片受到刺激和闭合瞬间所产生的生物电信号（1）取适当长度直径为0.1mm的铜制漆包线，用小刀或砂纸暴露漆包线两端约1cm长，将漆包线一端与昆虫针连接，另一端与A-MsystemModel3000放大器的记录端相连，作为记录电极，另一根漆包线与放大器的参考端相连，作为参考电极。（2）放大器连接CEDMicro1401型数模转化器，转换器连到电脑上，可实时将电流数据传到分析软件spike2上。（3）选取张开的、健康的捕虫裂片，将参考电极的尖端插入捕蝇草下方的土中，将记录电极尖端小心地插到待测捕虫裂片与叶柄连接处（图5）。图5测试捕蝇草生物电信号操作图（4）两电极插好后，运行Spike2分析软件，观察电位波动情况。我发现，在平静状态下，裂片无极化现象——生物电信号基本稳定在0mV，只有一些极其微弱的波动。我称这种信号状态为“基线”，但时不时（隔10-20s不等）会发放一些小的反极化-极化-基线（上升-下降-平坦）的信号（图6），其上升相较陡峭，下降相较平缓。正锋电位与负锋电位在数值上的关系如图7。-8-图6图7裂片平静状态下的锋电位（5）机械触动捕虫裂片，不可取。据报道，昆虫震动捕蝇草捕虫裂片时裂片就会闭从而捕获昆虫，因此，我采用细丝拨动捕虫裂片内侧的触毛，用以模拟昆虫的震动。但是只要手伸到捕蝇草附近，就会产生噪音（图8），故我放弃此种方案，改为用激光激发触毛（图9）。图8人为引起的噪音-9-图9用激光激发触毛（6）用2000mw、波长532nm的激光笔距离0.4m照射裂片外侧（1135-1145s）10s，未引发任何动作电位。停止照射15s，再照射外表面30s（1203-1233s），引起三个先正后负的电位，其中正锋电位依次为0.282m