虚拟仿真实验

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被子植物双受精  Double Fertilization


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图1:拟南芥花朵


生命活动基于一系列动态过程:个体动态、器官动态、细胞动态、分子动态…一些微观的动态过程难于观察和再现,一直以来都是教学和科研的难点。用虚拟技术将难于观察的过程呈现出来,建立细胞动态虚拟仿真实验教学平台,让学生通过网络互探索细胞动态,了解细胞动态背后的分子基础。细胞生命活动中有很多重要的动态过程,如细胞增殖、减数分裂、受精作用等,我们首先完成了“被子植物双受精”虚拟仿真实验。


图2:半离体受精系统


双受精过程中发生着植物生活中最活跃的细胞结构和动态变化,开始于雄配子体即花粉落到雌蕊柱头上,花粉萌发长出花粉管,花粉管携带一对精细胞进入胚囊,在退化助细胞中花粉管顶端破裂,释放出一对精细胞,其中一个与卵细胞融合形成二倍体的合子,发育为胚;另一个与中央细胞的极核融合形成初生胚乳核,发育为胚乳。在一次受精作用中协同完成两对细胞的融合,因此称为双受精。双受精是种子发育的起点,而人类赖以生存的主要粮食就来源于水稻、小麦、玉米、大豆、花生等作物的种子。双受精过程受到相关基因的网络式调控,任何一个基因出问题都会影响结实,影响到粮食生产。揭示双受精现象的细胞及分子生物学机制是目前植物生物学研究的热点,也是教学中的难点。


图3:花粉管长进胚珠

图4:一对精细胞释放


在虚拟实验系统中,通过三维重构、虚拟动画、模拟实验等方法,结合科研常用的半离体受精体系及最新研究成果,以问题引领学生一步步探究,完成植物双受精过程各阶段的细胞动态观察。在此基础上,引入突变体拓展实验,引导学生理解细胞学现象背后的分子机制,培养学生的科研素养和创新能力。



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