生物课低成本维管束纵向标本制作

高中阶段的维管束的实验，多是将西洋芹或玉米的茎泡入染色的水中，利用维管束在蒸散作用下吸入含有染料的水溶液，后续再藉由观察叶脉或是横切茎部，来突显维管束的位置。而进阶一些，可以将茎横切成薄片后置于显微镜下观察，横切后虽可以看到木质部的孔洞，但无法看到维管束纵向的长管状管细胞。经由本文提供之方法，能学生在不需要切片机的情况下，结合既有的实验步骤，且使用超市与校园随手可得的植物，简易且快速的制作出维管束纵向玻片标本。经由显微镜观察木质部的长管状管细胞，更具体了解维管束型态与功能的了解。

龙葵茎维管束叠图
壹、课程目标简介

7年级生物课介绍植物体内的物质运输时会介绍维管束中的木质部与韧皮部，为了让学生了解木质部的输水功能与维管束的分布位置，可将西洋芹或玉米的茎部下缘泡入含有染料的水中，约10分钟后即可观察到因为吸入染料而颜色变深的维管束所在，后续可进一步横切茎部观察，切的够薄还能进一步做成维管束横切面玻片标本进行观察。为了让学生了解维管束是长管子，可使用竹筷子沾取肥皂水来吹气，或直接，让学生藉由观察竹筷孔洞在水中冒气泡的位置与孔洞位置相符，进而了解维管束是相互连通的概念。对于维管束的介绍，希望在课程后学生可以理解：
一、 了解维管束中有上下相连通的长管
二、 制作简易维管束玻片，观察茎与叶中的木质部管细胞。
三、 观察并了解维管束木质部管细胞构造

根据上述目标，配合课程设计成四个活动，各活动可同步进行或是独立出来操作，材料需准备红墨水、亚甲蓝、优碘、500 ml烧杯、小刀、载玻片、盖玻片、笔、玉米茎、西洋芹、小白菜、青江菜、地瓜茎与根、龙葵茎与根。
贰、活动流程与观察纪录

下列为四个活动的施行步骤与笔者的观察记录

活动一：巨观观察维管束分布与功能，操作时间约30分钟。

此活动常见于一般的教科书，利用植物茎部维管束吸入含有染料的水的方式，可验证维管束是相通的长管。活动常使用西洋芹或一般叶菜类，若使用深绿色叶菜，红墨水吸入维管束之后，因颜色反差，会更明显，且叶片大的叶菜，维管束吸水相当迅速，置入水中10到15分钟后，即可取出进行横切与纵切观察如图1，直接纵切时容易切断维管束，可利用类似削铅笔方式慢慢削去外部组织，更易观察到长条状维管束，在等待的空档，可进行活动二与活动三。

图1. 横切与纵切观察维管束

活动二：吹气验证维管束分布与功能，操作时间约10分钟。

除了活动一利用调入食用色素的纯水，让维管束吸入维管束，来验证维管束中具有可吸水的连通长管之外，还可以用对维管束吹气来验证此连通长管的存在，以往可使用对卫生筷吹气，再观察另一端产生的气泡，而本活动则使用小白菜或青江菜。

取小白菜或青江菜10到15公分洗净，准备500ml烧杯，装水约7分满，将叶片端泡入水中，以嘴巴含住叶柄，用力缓缓吹气，可以观察到气泡会在茎特定位置或叶脉开口处产生，也可以沾取肥皂水，用力缓缓吹气，可看见另一端因吹气而产生的气泡（图2）。此方式有别于竹筷的地方，在于取用了新鲜的维管束，且能明确了解此维管束有上下连通，观察叶片在水中冒泡的位置，能更明显观察到气泡在特定位置产生，说明此位置便是维管束所在，后续在活动三会进一步验证此处即为维管束。此活动亦可尝试其他植物，玉米茎、白菜与青江菜是笔者测试过较容易成功的材料，西洋芹便费力许多。

图2. 维管束吹气测试，为使拍摄效果明显，肥皂水有额外加入红墨水。

活动三：木质部维管束玻片标本制作分布与功能，操作时间约30分钟。

进行完活动二，可继续进行活动三，或将活动三在另一堂课操作。本活动要制作纵向维管束玻片标本，并进一步观察维管束构造。常见的维管束横切面玻片标本使用徒手切片法制作观察横切面。若要观察到维管束长管状，较简单的方式是取香蕉或柑橘果实内部的丝，做成玻片标本观察，若是用植物的根、茎、叶制作维管束纵切玻片标本时，主要遇到的问题有2个：
1. 位置：切的位置很难精准切到维管束并沿着维管束切
2. 厚度：即使切到维管束，也很难再切下够薄的另一刀，使之成为薄到便于观察的玻片标本。

使用徒手切片法要刚好切到维管束所在之处，且刚好够薄，实属不易。若是使用石蜡切片，时间与器材皆不适于一般国中小课程需求。而本活动希望能扣合课程，使用活动一中准备的植物，制作成维管束玻片，观察维管束构造，深化对维管束的认识。为了克服定位与厚度的问题，笔者采用另一种全新的制作方式，暂订名为「压制玻片」，制作时间约为5分钟，制作难度设定为国小学生亦能轻易完成。制作步骤如下：
1. 抽取维管束：克服切不到正确位置的解决办法，是直接抽取维管束出来处理。将西洋芹或小白菜的茎或叶柄内侧轻划一刀，再将茎沿刀痕向外翻90度，然后慢慢拉即可将条状维管束与其他组织分离，此时可用刀或镊子取下其中一条维管束（图3），小白菜、青菜等一般叶菜类维管束较小较软，较易制作玻片标本，西洋芹维管束较粗，制作玻片标本的难度也较高一些，玉米的维管束较小较软，需用刀片沿着维管束缓缓推，可将维管束分离出来，一些取下的维管束如图4。维管束与周边其他组织的区别在于颜色不同，但较细的维管束不太容易观察，可使用活动一的方式处理，已吸入红墨水的维管束会更容易分辨，便于采样。

图3. 撕取维管束，照片中的小白菜已经吸入红墨水。

图4. 各种抽取出来的维管束样本
2. 制作压制玻片：方式有两种，叙述如下
(1)平面加压法：将一段维管束，制于载玻片上，再覆盖另一片载玻片，利用手指加压玻片，加压时要直接施加力量在维管束上方，可将维管束微微压扁（图5），此时维管束周围其他叶肉组织会与维管束分离，用镊子或小刀挑除非维管束组织后，可再次利用两片载玻片继续加压维管束，将维管束压得更薄，反覆此步骤即可获得相当薄的维管束纵向标本。若是国小学生或时间较赶，可略去叶肉步骤，虽标本较厚，但仍然能够观察到长条型的维管束。
(2)滚动加压法：将一段维管束，制于载玻片上，再利用笔杆压住维管束中央，开始前后缓缓滚动（图6），数次后可得到压扁的维管束。

图5. 平面加压法加压维管束

图6. 滚动加压法加压维管束

不论是利用平面加压或是滚动加压，都要缓缓施力多次加压，反覆缓缓加压数次使玻片标本越薄越好，用力过猛或施力点不对，可能会使玻片破裂，若是另行准备塑胶片加压，则可避免玻片破裂。压制过程中或压制后若能尽量除去不属于维管束的组织，可避免这些组织覆盖在维管束上下而影响观察结果。
3.染色：将压制完成的维管束，置于载玻片上，滴加一滴碘液、亚甲蓝、或是其他染剂，盖上盖玻片，轻压盖玻片几下加速染剂进入维管束标本，即完成维管束压制玻片，可立即进行观察，放置5到10分钟后染色效果会更显著。利用亚甲蓝染色优点为透明度也较高，方便观察较下方的影像，但因为透明度高，多条木质部交叠时，影像会较不清晰。利用优碘染色的好处是维管束边缘较明显，维管束较厚时，利用优碘能使上层木质部纹路较为清晰，缺点是透明度较差。
将制作完成的茎或叶柄维管束压制玻片，置于显微镜下观察，使用目镜16倍、手机数位放大4倍，物镜倍率如图所示，拍摄照片如下图7、图8：

图7. 小白菜维管束，容易制作压制玻片但管细胞较细小。

图8. 西洋芹维管束，维管束较粗大较难压制玻片标本，管细胞较大。

可使用不同染剂将制作完成的小白菜与西洋芹维管束压制玻片，置于显微镜下观察，西洋芹维管束染色照片如下图9：

图9. 西洋芹维管束染色结果

维管束细胞中，韧皮部细胞较不易观察与辨别，因此观察的主要是木质部管细胞，木质部管细胞中包含有较明显纹路的导管与管胞，包含环纹(annular)、螺纹(spiral or helical)、阶梯纹(scalariform)、网纹(reticulate)与孔纹(pitted)等5种类型，每种纹路又有不同变化如图10，在上述叶菜类的叶柄或茎，皆可观察到环纹、螺纹、阶梯纹、网纹等几种，纹路来自这些管细胞加厚的细胞壁，加厚的细胞壁能提供植物更好的支撑力，较薄的部分则有利于水分传送给管细胞旁的组织。

加压小白菜与西洋芹维管束能使管细胞分开，带有环纹、螺纹的管细胞容易因加压而分开，但加压过度会变形，带有网纹与阶梯纹的管细胞彼此连结相当紧密不易分开，需要较高程度的加压。

建议国中小学生可先使用小白菜一类具有较软较细维管束的叶菜类来制作压制玻片，西洋芹可抽取细的维管束制作，西洋芹较粗的维管束可以加压后用刀片分割，然后再次加压，较容易分离带有网纹与阶梯纹的管细胞以利观察，用优碘染色也可使网纹与阶梯纹更明显。玉米的维管束细且脆弱，需要用刀片沿维管束旁推开其他组织才能抽取，山茼蒿的维管束较不强韧且环状排列，但茎部质地柔软，可除去表皮后，削下带有维管束的组织再加压制作压制玻片。

图10. 不同纹路的管细胞

活动四：其他部位与类型维管束玻片标本制作，操作时间约45分钟。

除了茎之外，课程中也提到根有维管束，以及叶脉都有为维管束，此活动针对根、茎、叶维管束进行标本制作与观察。
一、 叶片叶脉维管束标本制作：
已知叶脉亦为维管束，可制作叶脉维管束玻片标本并观察叶脉木质部管细胞。叶片要挑选颜色较淡与较薄的部分（图3蓝色圆圈处），淡色嫩叶更佳。制作方法为剪取一小片长宽小于盖玻片的叶片，叶片正面朝上，利用滚动加压法制作玻片标本，压到叶脉部分呈现透明状，再滴加亚甲蓝染色（叶片含淀粉，不可用优碘染色）。小白菜很容易成功做出便于观察的玻片标本。笔者观察制作完成的叶维管束压制玻片，显微镜使用目镜16倍、手机数位放大四倍，物镜倍率如图所示，拍摄照片如图11：

图11. 小白菜叶维管束，亚甲蓝染色。
二、更多类型木质部管细胞观察：
课程中所用的西洋芹或小白菜观察不到图10右方圆形的孔纹，若要观察具有圆形孔纹的管细胞，需要使用其他植物木质化较高一些的木质部，玻片标本制作难度也会较高。以下为利用龙葵、地瓜等制作玻片标本观察圆形孔纹管细胞的过程与纪录。
1.制作步骤：
(1)去除表皮：切两刀后剥除表皮，或直接刮除表皮，直到可以看到维管束或是出现一层木质化的纤维为止。
(2) 提取维管束：浅浅的削取含维管束的部分，再制作压制玻片。若是具有较厚的木质部如地瓜茎或具有树木生长轮的部分，可用撕取或用削取薄片方式取得一层薄薄木质部（图12）。将制作完成的龙葵茎、根以及地瓜根、茎木质部制作压制玻片，置于显微镜下观察，显微镜使用目镜16倍、手机数位放大四倍，物镜倍率如图所示，照片如图13、图14：

图12. 茎或根的木质部取样方法

图13. 不同倍数下龙葵茎的管细胞

图14. 龙葵根中可见巨大的管细胞
参、结语

配合课程进行实作，可以深化对于学习内容的具象化，以往因为制作维管束纵向切片不易、制作耗时、显微镜手机架或电子目镜未普及等因素，在维管束课程的实作，只观察维管束吸入含染料的水之后对花瓣影响，或是横切茎看维管束的分布。利用本文的方法制作根、茎、叶维管束压制玻片，可以以相当低的成本与时间，将课程延伸至维管束纵向标本的实作与观察。此方式所制作的玻片，尚无法看到是否具有穿孔板（穿孔板），来作为判断是导管或是管胞的依据，但已经能够看到各式各样的管细胞，可视情况补充管细胞纹路的来由与功能。更难得的是能利用随手可得的材料亲手制作与观察维管束标本，观察这些以往只出现在课本或网络资料的管细胞，跟着这些美丽纹路交织出美好的课程经验。

参考文献
[1] 简志祥（2011）。观察香蕉的维管束，下载自 http://a-chien.blogspot.com/2011/10/blog-post_4292.html
[2] 维基百科（2022）。管胞，下载自 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AE%A1%E8%83%9E
[3] Crang, R., Lyons-Sobaski, S., & Wise, R. （2018). Plant anatomy: a concept-based approach to the structure of seed plants,P230-237, Springer.