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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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http://science.ntsec.edu.tw/Science-Content.aspx?cat=-1&sid=1286 三、楊皓任(民 99 年)。影響花粉管萌發因素初討—以朱槿為例。取自：

http://passport.tc.edu.tw/contest/file/98_kinmen/b101/b101_00077.pdf 四、藍梓羽、林香吟、卓建文、李宜珊(民 97 年)。花粉管不為人知的秘密。取自：

http://affairs.ymhs.tyc.edu.tw/social/document/fileList/%E5%B0%8F%E8%AB%96%E6%96%87/%E8%8A%B1%E7%B2%89%E7%AE%A1%E4%B8%8D%E7%82%BA%E4%BA%BA%E7%9F%A5%E7%9A%84%E7%A7%98%E5%AF%86.pdf

五、林俞廷、林乃慧(民 96 年)。兵來將擋─鐵砲百合(Lilium longiflorum)柱頭分泌物防止異種雜交之機制。取自：

http://science.ntsec.edu.tw/Science-Content.aspx?cat=-1&sid=2368 六、羅尉晉、田宜鑫(民 93 年)。百合花粉嚇嚇叫。取自：

http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/44/E/040704.pdf 七、Leonie Steinhorst, Jörg Kudla (2013). Calcium - a central regulator of pollen

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。