利用膜片鉗探究植物乾旱應答虛擬仿真實驗是山東大學建設的虛擬仿真實驗課程。
基本介紹
- 中文名：利用膜片鉗探究植物乾旱應答虛擬仿真實驗
- 建設院校： 山東大學
- 授課教師：於曉琳、沈建霖、趙晶、陳冬花
- 課程負責人： 張偉
課程性質,教學目標,
課程性質
課程背景
本虛擬仿真項目是解決植物生物學課程教學和實驗內容方面的必要環節。植物與環境之間的物質、能量和信息交流,對於植物正常生長發育至關重要。隨著植物生理學和植物細胞生物學等學科發展,要求植物生物學課程和實驗內容作出調整。前期,山東大學生命科學學院植物生物學等課程,進行了教學和實驗內容的更新,增添了以植物蒸騰作用和分子調控分子機制方面的內容,以提高本科生在植物細胞細胞轉導方面的知識和實驗技能。這部分內容,同學們興趣很大、積極性很高,特別是對於利用膜片鉗技術興趣尤其高。膜片鉗電生理技術可以直觀檢測細胞跨膜離子轉運,因此成為了研究保衛細胞氣孔運動參與植物抗旱機理的重要手段。通過利用膜片鉗技術,可以測定在外界剌激下,保衛細胞膜上離子通道電流的變化,最終體現出對氣孔開度大小的調控並影響植物蒸騰作用以及抗旱能力。但是,在實際實驗教學環節卻存在的-系列問題:
1.實驗持續的周期長。擬南芥從種子播種、幼苗移栽再到植株發育過程耗時長達一 一個月以上，且全程需要每天進行澆水、照看等工作,學生需要輪流在上課時間之外完成實驗內容,實現難度很大。
2.用於實驗的材料選擇視窗期短,實驗操作難以多次重複。實驗需要選擇四周左右,大小適宜的擬南芥蓮座葉片,最佳時期持續時間較短,存在較強時效性。並且,氣孔運動實驗中葉片下表皮水壓片的製作和膜片鉗實驗,操作步驟較多,操作過程較為複雜,這使得指導教師不易重複演示，學生實際操作與重複練習也變得異常困難,增加了實驗教學的難度。
3.實驗材料的培育空間難以保證。氣孔運動實驗需要使用大量擬南芥蓮座葉片,植物材料需占用較多的實驗室溫室空間，且難以充足保證。
4.實驗教學成本較高,儀器操作培訓周期長。在氣孔運動實驗和保衛細胞提取過程中,分別需要使用植物激素脫落酸試劑和細胞酶解液,而脫落酸試劑和酶解液價格昂貴。此外,膜片鉗實驗需要的一系列電生理實驗儀器設備,較為精密且價格較高。教學不同於科研,學生人數眾多,如果為保證教學質量,就需要較多台套數,這會耗資巨大,建設難度很高。並且,膜片鉗等儀器操作達到孰練程度,即便是對於研究生而言, 也至少需要培訓三個月以上。因此,在前期本實驗模組部分,只能讓學生進行氣孔運動測定實驗,而對於保衛細胞膜片鉗實驗,只能通過儀器示範性講解,只有選擇植物細胞信號轉導方向進行科創和畢業設計的極少數同學,能夠進入課題組進行細緻學習和實驗。
因此,對本課程模組建立虛擬仿真實驗項目,將有效解決植物生物學線下實驗操作中遇到的諸多困難。通過利用膜片鉗探究植物乾旱應答虛擬仿真實驗有效解決了植物擬南芥培育周期長、用盱實驗的材料選擇視窗期短、培養過程中不確定因素過多、儀器設備昂貴精密、儀器操作培訓時間周期長、經濟成本高等問題,克服了膜片鉗儀器平台操作使用的限制,既能為學生傳授重要的植物生物學學科前沿知識和研究手段，拓展本科實驗教學的深度與廣度,提高同學們的學科思維和創新能力,又能為科學研究提供幫助與支持。同時該實驗項目還可以在全國範圍內進行共享套用,填補了此項實驗項目在本科教學實驗中的空白,惠及多個高校院所,尤其是中西部高校,可以線上下無條件實現的情況下學習重要且前沿的知識與技術,在全國範圍內都極具推廣套用價值。
本項目是基於植物生物學、植物生理學、細胞生物學、電生理學等重要科學研究領域中必不可少的研究對象(模式植物擬南芥)和實驗研究手段(氣孔運動與膜片鉗技術)開展,具有極強的科學和實用價值,在本科實驗教學中具有極大的必要性、經典性和可擴展性。
此外,受當前新型冠狀病毒引|起的肺炎疫情影響,虛擬仿真項目這種新型的線上教學模式,更顯示出其必要性和優越性。能夠讓學生不受外界條件限制,隨時隨地開展實驗學習, 並及時鞏固學習效果。
教學目標
圍繞國家對一流課程“兩性一度”的建設要求,按照植物生物學學科前沿發展態勢和創新型人才培養的目標,本項目將較為前沿的科研內容與技術引入到本科教學當中,使學生可以較早地接觸細胞層面的知識和技術,增加創新性實驗項目，更新傳統教學內容 ,拓展學生的知識面。本項目已在山東大學植物生物學實驗(必修課)實現教學套用。
通過本項目實驗學習, 應達到如下目標:
( 1 )學習擬南芥的形態結構特徵及其作為模式植物的原因,掌握播種和培育擬南芥的條件及過程;
(2)認識氣孔運動對植物蒸騰作用的調控， 掌握氣孔運動測定方法;
(3 )學習利用酶解法提取保衛細胞原生質體的方法;
(4 )認識保衛細胞離子通道對氣孔運動調控的作用,學習膜片鉗儀器的構成、實驗原理及使用流程,掌握保衛細胞膜上慢速陰離子通道電流的記錄方法;
( 5 )認識生命現象在微觀細胞水平與巨觀整體水平的一致性,分析離子通道活性與植物抗旱能力的相互作用;
(6)通過虛擬實驗學習,可以完成氣孔運動測定等線下操作、數據分析和膜片鉗儀器的原理和操作流程;
(7 )培養大學生的科研思維,提高學生的科研素養,讓畢業後立志於從事生物科學研究的學生打下理論和實踐基礎。
