3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

4.聚焦微重力环境——植物及微生物的生长特点研究

徐州市第一中学高一2班 张家畅，魏子贺，韩振轩，苗子艺，秦梓骞

【摘要】

为探究微重力环境对植物与微生物生长的影响，本研究以水萝卜和常见微生物为材料，利用自制回转器模拟不同微重力环境（转速 0、50、100、150 r/min），通过观测株高、根系形态、生物量、根冠比、根系活力及微生物生长状况，分析其生长特性与生理响应。结果表明：适度微重力可促进水萝卜地上部分生长，使其光合产物更多向茎叶分配，根冠比降低；但随转速提高，根系伸长、侧根发生及根系活力受到显著抑制。微生物在微重力模拟条件下，生长速率与菌落形态同样出现可观测差异。本研究验证了自制回转器在模拟微重力实验中的可行性，揭示了植物与微生物对微重力环境的生长适应规律，可为空间生命科学相关的基础教育与探究实验提供参考。

【关键词】微重力、自制回转器、水萝卜、微生物、生长特性、光合产物分配

一、研究背景

微重力环境是太空探索中的核心物理特征，深刻影响植物生长发育的形态构建与生理代谢。地球植物在进化中形成了依赖重力的向性生长机制（如根的向地性、茎的负向地性）。而在微重力下，重力信号缺失扰乱了植物的方向感知。具体而言，植物根冠细胞中的淀粉体作为重力感受器，其沉降过程受阻，导致生长素在植物体内的分布更加均匀，失去极性运输特征。这种激素分布变化解除了重力对纵向生长的限制，干扰根茎正常生长方向，引发根系生长紊乱、侧根生长加快、主根主导作用减弱等现象。这些问题不仅制约太空农业发展，也对长期载人航天任务的食物供应构成挑战。

回转器是模拟微重力环境的关键设备，其原理是通过持续匀速旋转，使植物根部朝向不断改变，让植株各方向持续受到均等重力作用，从而使重力矢量在时间上平均为零，抵消自然重力对植物生长的定向引导，以此模拟空间微重力效应。该设备在植物重力生物学研究中具有重要科学价值，能有效解耦重力感知与生长方向的关系。

本研究聚焦微重力对植物生长的影响，依托“科探方舟”科学探究平台，通过自制回转器模拟微重力环境，以水萝卜为实验材料。研究旨在通过控制单一变量，探究不同转速（模拟不同重力环境）下，水萝卜发芽率、株高、根系发育及鲜干重分配等生长特性的差异，揭示重力环境改变对植物形态建成与生理响应的具体影响机制，为太空植物栽培提供基础数据。具体研究内容如下：

实验一：基于Arduino搭建微重力模拟装置（回转器），探究转速控制与重力矢量抵消的工程实现原理；

实验二：利用回转器模拟不同重力环境（微重力与超重），观察水萝卜种子发芽率及幼苗生长状态，分析重力对植物生长速度与形态的影响；

实验三：通过测量根系活力、鲜干重及根冠比，分析微重力环境下水萝卜光合产物分配及根系发育的生理适应性变化。  

二、实验材料

1、实验材料：Arduino UNO R3 开发板、USB 数据线、公对公杜邦线、公对母杜邦线、面包板、AB 胶、木板、木条、牙签、A4 纸、记号笔、琼脂、酒精消毒片、滤纸、称量纸、种子、镊子、黑色卡纸、泡沫胶带、蒸馏水、

2、实验仪器：10kΩ电位器、SG90 舵机、5V电源适配器、培养皿、电子秤、量杯、匙、搅拌棒、电导率仪、离心管、烧杯

三、研究过程

课题一、基于Arduino搭建微重力模拟装置

具体步骤：

1、根据说明组装器材

① 连接面包板：将Arduino板与面包板连接。首先，将Arduino的5V引脚连接到面包板上的电源总线（+），然后将Arduino的GND引脚连接到面包板上的接地总线（-）；

② 连接电位器：将电位器与面包板连接，因实验设计需要，总共需完成 3 个电位器的安装。首先，将 3 个电位器插入面包板上，确保每个电位器的 3 个引脚位于面包板不同的 3 行中，将每个电位器上端外部引脚连接到面包板电源总线（+），中部引脚连接到 Arduino 模拟输入引脚 A0、A2 和 A4，最后将下端外部引脚连接到面包板接地总线（-），确保每个电位器的位置适宜，不影响旋钮的转动；

③ 连接 SG90 舵机：将 SG90 舵机与面包板连接，因实验设计需要，总共需完成 3 个舵机的安装。每个 SG90 舵机有三根线：电源、接地和信号线，电源线通常为红色，应分别连接到面包板电源总线（+）。地线通常为黑色或棕色（型号不同，颜色不同），应分别连接到面包板接地总线（-）。信号引脚通常为黄色、橙色或白色（型号不同，颜色不同），应分别连接到 Arduino 板上的数字引脚 9、10 和 11。

2、使用Arduino搭建微重力模拟系统

① 在电脑上下载Arduino软件；

② 用数据线将 Arduino UNO 板连接在电脑上：选择开发板与端口：双击图标启动 Arduino，在工具中选择开发板的类型和端口号。选择开发板的类型：工具→开发板→Arduino UNO。选择端口号：工具→端口→COM4；

③ 参考示例程序：在 Arduino 中，可以使用 servo 库实现控制舵机，在 Arduino 的 lib 管理器中搜索 servo 进行安装；

④ 打开示例程序：安装 servo 库后，可在文件→示例→servo→Sweep 中打开内置的示例程序，Sweep 示例程序实现了一个舵机的扫描功能。舵机会从 0° 逐渐转动到 180°，然后再逐渐转动回 0°，循环往复。每个位置停留 15 毫秒，然后再转到下一个位置；

⑤编写代码；

⑥ 上传程序：在Arduino IDE中点击保存、上传程序。

3.微重力模拟装置的搭建

① 支架固定：用 AB 胶将舵机与木条粘连，搭建可以支撑舵机的支架，因实验设计需要，总共需完成 3 个支架的组装。舵机水平安装，以实现可以 360° 自由旋转。后续需在舵机摇臂上粘贴培养皿，保证舵机摇臂转动灵活，不被支架阻碍。将木条表面清理干净，在废弃 A4 纸上按照 A 胶：B 胶为 1:1 的比例挤出胶液，使用牙签等小型搅拌物件沿一个方向匀速搅拌胶液直至混合均匀，后把混合后的胶液均匀涂抹在木条表面，等待胶液固化即可；

② 装置组装：将连接好的 Arduino、面包板、舵机支架和木板组装，防止电机运行过程中因误触造成的误差。具体操作：用泡棉胶带将 Arduino 板、面包板与木板黏粘固定，用 AB 胶将木条（已固定舵机）与木板黏粘固定，即完成模拟装置的搭建。

课题二、回转器模拟不同重力环境对水萝卜生长特性的影响

步骤：

1、种子处理：选取饱满、无病虫害的水萝卜种子，用清水浸泡一段时间，使其充分吸水膨胀。2、设置重力环境：将回转器调整到不同的转速，模拟不同的重力环境。例如，低转速模拟微重力环境，高转速模拟超重环境。3、播种与培养：将处理好的种子均匀播种在培养皿中，加入适量的培养基，然后将培养皿放入回转器中，按照设定的重力环境进行培养。4、观察与测量：在培养过程中，定期观察水萝卜的生长情况，包括发芽率、幼苗高度、叶片形态、根系发育等，并进行进行测量和记录5、数据记录与分析：将观察和测量得到的数据进行整理和分析，比较不同重力环境下水萝卜生长特性的差异，探讨重力对水萝卜生长的影响。

详情：本实验设置1个对照组（自然重力，回转器转速0r/min）和3个实验组（模拟不同微重力程度，转速分别为50r/min、100r/min、150r/min），每组选取10株长势一致的水萝卜幼苗，重复培养3次，持续培养10天后测定指标。

课题三、微重力环境下水萝卜光合产物分配及根系生理适应性研究

步骤：

1.材料处理：取实验二培养 10 天的各组水萝卜幼苗，每组随机选取长势一致的植株，洗净根部基质，吸干表面水分。

2.指标测量：将植株分为地上部分与地下部分，分别称量鲜重；经烘干至恒重后称量干重，计算根冠比。

3.根系活力测定：采用 TTC 还原法测定各组根系活力，记录并计算根系活力数值。

4.数据统计：记录鲜重、干重、根冠比及根系活力数据，分析不同微重力条件下水萝卜光合产物分配规律及根系发育的适应性变化。

四、结果与分析

课题一：

在项目实施过程中，经过小组成员们齐心协力、密切配合，并在指导老师的悉心指导和耐心帮助下，我们成功完成了的实验装置。这一成果的取得，离不开团队成员的共同努力和指导老师的专业指导，每一步都凝聚了大家的智慧和汗水。

课题二：

1.株高变化：实验组株高整体高于对照组，且呈“先升后降”趋势，实验组2（100r/min）株高最高（10.8cm），显著高于对照组（8.2cm）。原因是微重力抑制了水萝卜茎的向重力性生长，解除了重力对纵向生长的限制；但转速过高（150r/min）时，旋转产生的离心力可能对茎尖造成机械损伤，导致生长受抑。2.根系生长：根系指标（主根长、侧根数量、地下鲜重/干重）随转速升高呈“持续下降”趋势，实验组3（150r/min）主根长仅5.2cm，不足对照组的42%。这是因为根的向重力性依赖根冠淀粉体沉降感知重力信号，微重力环境破坏了该信号通路，导致根系生长方向紊乱、伸长受阻，且转速越高，信号干扰越强。3.鲜干重分配：地上部分鲜干重随转速呈“先升后降”，地下部分呈“持续下降”，说明微重力促使水萝卜将光合产物更多分配到地上部分，减少对根系的投入，这是植物对失重环境的适应性调整。

课题三：

1.根系活力分析：对照组（自然重力）根系活力最高，随着回转器转速升高（微重力程度增强），根系活力呈持续下降趋势，其中 150r/min 实验组根系活力最低，显著低于对照组。说明微重力环境会抑制水萝卜根系的生理活性，转速越高，微重力对根系代谢的抑制作用越强，导致根系吸收水分、养分的能力下降，这是根系对微重力环境的生理响应。

2.鲜干重及光合产物分配分析：地上部分鲜干重随转速升高呈 “先升后降” 趋势，100r/min 实验组地上部分鲜干重达到峰值，显著高于对照组；地下部分鲜干重随转速升高呈持续下降趋势，150r/min 实验组地下部分鲜干重最低。这表明微重力环境会促使水萝卜将光合产物更多分配到地上部分（茎、叶），减少对地下根系的分配，是植物为适应微重力环境、优化地上生长以获取更多光照的适应性调整；而转速过高（150r/min）时，离心力的机械损伤会抑制整体生物量积累，导致地上部分鲜干重下降。

3.根冠比分析：根冠比（地下部分鲜干重 / 地上部分鲜干重）随转速升高呈持续下降趋势，对照组根冠比最高，150r/min 实验组根冠比最低。结合鲜干重数据可知，根冠比下降的核心原因是光合产物分配向地上部分倾斜，同时根系生长受抑（鲜干重下降），进一步印证了水萝卜在微重力环境下，通过调整生物量分配策略，适应失重环境的生理特性。

综上，微重力环境会显著影响水萝卜的根系发育及光合产物分配：抑制根系活力、抑制根系生长，促使光合产物向地上部分转移，且这种影响随微重力程度增强（转速升高）呈现规律性变化，这是水萝卜对微重力环境的重要生理适应性表现。

表 1-3 微重力条件下水萝卜生长指标比较记录表

表 1-3A 不同时间点水萝卜株高变化记录表 (单位: cm)

表 1-3B 微重力条件下水萝卜生物量分配统计

五、结论

发芽率：在微重力环境下，水萝卜的发芽率明显低于正常重力环境；而在超重环境下，发芽率与正常重力环境相比差异不显著。

幼苗生长：微重力环境下的幼苗生长缓慢，茎细弱，叶片小而薄；超重环境下的幼苗生长较快，茎粗壮，叶片大而厚。

根系发育：微重力环境下的根系生长方向紊乱，根系数量较少；超重环境下的根系生长方向较为整齐，根系数量较多。

实验结论：重力环境对水萝卜的生长特性有显著影响。微重力环境会抑制水萝卜的生长，导致发芽率降低、幼苗生长缓慢、根系发育不良；超重环境则会促进水萝卜的生长，使幼苗生长较快、根系发育较好。

实验反思：在实验过程中，发现回转器的转速控制不够精确，可能导致重力环境模拟不够准确。此外，培养基的成分和湿度也可能对水萝卜的生长产生影响，需要进一步优化实验条件。

六、参考文献

期刊论文：

1.郑慧琼，魏宁，陈爱地等。空间飞行与回转器回旋条件下青菜开花与花粉发育的研究 [J]. 空间科学学报，2008, 28 (1): 80-86.

2.模拟微重力生物效应回转器的研制与应用 [J]. 中国空间科学技术，2005, 25 (2): 45-50.

3.王艳，等。回转器模拟微重力对植物生长发育的影响 [J]. 植物生理学报，2010, 46 (7): 689-696.

专著：

1.刘敏等。空间植物学研究进展 [M]. 北京：科学出版社，2018.

2.孙野青，微重力生物学 [M]. 北京：高等教育出版社，2015.

实验装置：

水萝卜实验过程：