关于使用相对横向生长长度来测量植物的生长素的研究

中国人民大学附属中学2013-14学年度高二研究性学习课题结题报告

高二(9) 林温迪

指导教师 李峰

2014-05-13

摘要： 本文以拟南芥为实验对象，研究了植物在重力作用下弯曲生长的过程，并提出了通过植物的相对横向生长长度来定量测量植物生长素的方法。

关键词：拟南芥；生长素；向重力性；相对横向生长长度。

人们研究说明：向性运动是植物生长对环境信号所产生的一种响应。植物中最常见也是最重要的向性运动是向重力性运动。它表明茎和花柄总是背离地心引力而向上生长，具有负向地性。一般认为，在向性运动中起决定作用的是生长素。在目前，关于植物的生长运动与生长素的关系还没有很明确的研究成果。

本文通过对拟南芥的种植实验，研究了植物在不同的重力方向作用下弯曲生长的过程。本文提出了一种通过植物的弯曲程度来定量测量植物生长素的方法。本文的方法可以用来比较植物含有生长素的多少，对植物的定向运动研究有积极的意义。

这项研究的主要目的是通过对拟南芥进行种植实验，了解植物植物的生长运动与生长素的关系，并尝试对这种关系进行一些定量的测量。下面是具体工作整个过程：

首先，在无菌操作的条件下，我们将拟南芥种在MS培养基上，放在22-24摄氏度的温室里。待十天后，拟南芥长出根苗。这时我们再将根苗移栽到花盆里，直到拟南芥根苗长出茎，抽薹至一定的高度。在理想情况下，每棵根苗长成一根主干。若茎上开始出现大量分支，可以剪掉以免干扰实验结果。

图1：测量拟南芥相对横向生长长度的实验设置。

第二步，当根苗抽薹高度到达7-10厘米时，如图1的Day 1状态， 我们将花盘转90度横放，使得拟南芥枝干水平放置。我们让花盘在这个状态下放置一天，这样拟南介的生长素将驱使苗心转过90度弯，背离地心向上生长。

第三步，是在花盘转90度横放24小时后的第二天（Day 2），观察拟南芥枝干弯曲的状况。我们会发现拟南芥的弯曲部位不在根部，也不在苗尖端，而是在茎苗中间的某个地方。显然这个弯曲部位正是在这个一天中拟南芥的生长素含量最高的地方。我们测量茎弯曲部分的长度，记为a。然后，我们将花盘倒转90度恢复原来的方向。这时拟南芥的根部是沿着竖直方向的，苗尖端部是沿着水平方向的（如图1的Day 2）。

第四步，是在花盘倒转90度恢复原来方向24小时后的第三天（Day 3），再次观察拟南芥枝干弯曲的状况。在这一天中，拟南芥苗在负向地性的作用下再次弯曲向上生长。我们观察到拟南芥的第二次弯曲的部位不在一天前的地方了，而是沿苗尖端方向移动了一段距离。这说明拟南芥含生长素的部位在转移。我们测量弯曲前后的两段竖直茎苗的距离b 和弯曲的角度φ，以便算出c=b/sinφ。c大约为茎苗两次转弯的长度，反映了拟南芥的生长素在一天内移动的距离，如图1中的Day 3。

第五步，我们对测量数据进行结果分析。由于实验中种子质量可能不同，土壤肥沃程度可能不同，拟南芥苗在Day 1时达到的高度会不同。这会导致以上测量的长度a，b，c和角度φ不一样。为了排除这些单个因素的影响，我们计算两次弯曲长度的比值c/a。这个比值的分子是拟南芥的生长素在一天内移动的距离c，分母a是拟南芥在第一次转弯时的长度，所以它基本由生长素决定，而与初始的根苗抽薹高度无关。我们称c/a为相对横向生长长度，可作为植物生长素作用强弱的一个度量。

我们把实验结果和测量数据展示在图2至图5中。

在图2中的第9号样品，在茎苗抽薹后长到大约7厘米高的时候，将花盆旋转90°放倒，让拟南芥在重力的作用下“横向”生长。隔一天后，我们测出第一次茎弯曲部分的长度a为3.171厘米。然后再把花盆转回原来的方向竖直放置，使得拟南芥再次转弯垂直向上生长。有隔一天后，我们测得弯曲前后的茎苗的距离b为1.414厘米，弯曲的角度φ为57.829°。我们可以计算得到横向生长长度c等于1.670厘米。相对横向生长长度c/a为0.527。

用同样的方法我们测得第10号至第12号样品的相对横向生长长度。如图3-5所示。第10号比较特别，它的初始长度达到14.5厘米左右。相对而言，第12样品中的初始长度只有5.5厘米左右。我们最后将所有测量数据综合列在表格1中。

图2：第9号样品的实验测量。

图3：第10号样品的实验测量。

图4：第11号样品的实验测量。

图5：第12号样品的实验测量。

在表格1中，我们发现，虽然拟南芥抽薹后的a，b的长度和φ的角度的分布比较离散，但是它的相对横向生长长度却是一个比较稳定的数字。甚至可以从图里看出相对横向生长长度和茎苗的初始长度也没有太多关系。第10样品中的初始长度约为14.5厘米而第12样品中的初始长度只有5.5厘米，但是他们的相对横向生长长度却大致相等。所以相对横向生长长度是反映植物生长素的分布和变化规律的一个数量。

对不同的植物来说，生长素越多的植物在一天中横向生长的长度c就越长。所以我们可以通过测量c 的长度来定量比较不同植物的生长素的多少。假如我们使用这种方法对另外一种植物进行同样的实验，我们就可以测出那种植物的相对横向生长长度。比较两种植物的相对横向生长长度就可以了解生长素的含量差异。

本文提出的实验方法可以测量植物的相对横向生长长度，而植物的生长素是可以通过植物的相对横向长度来度量的。通过比较植物的相对横向长度可以比较植物之间生长素的多少。

因时间有限，应对拟南芥做更多的实验，检查拟南芥的相对横向生长长度的数据分布情况，还应该对不同的植物进行同样的实验，以比较两种植物生长素的含量多少。在后期实验中应种植荧光标记生长素的转基因拟南芥，这样能够一目了然的看出拟南芥中生长素的分布区域，以便对本实验的结果进行比较。

感谢李峰老师的指导，感谢北京大学王东辉老师给我提供的良好实验条件。