《Plants》：Making Plant Physiology Visible: Ten Inquiry-Based Infrared Thermography Activities for Undergraduate Teaching
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许多植物生理学所研究的过程，包括气孔调节、干旱响应、嫁接愈合部的形成、与病原体的互作、花的产热与冷冻过程，都是动态的，但学生难以直接观察。因此，这些主题的教学往往依赖于间接测量或理论讲解，这使学生难以理解生理学概念与可观察的植物行为之间的联系。红外热成像（in
许多植物生理学所研究的过程，包括气孔调节、干旱响应、嫁接愈合部的形成、与病原体的互作、花的产热与冷冻过程，都是动态的，但学生难以直接观察。因此，这些主题的教学往往依赖于间接测量或理论讲解，这使学生难以理解生理学概念与可观察的植物行为之间的联系。红外热成像（infrared thermography）提供了一种快速、非侵入性的方式，可将反映潜在生理过程的温度模式可视化。本文提出十项基于探究的实验室与野外活动，将红外热成像整合到本科植物生理学教学中。这些活动并非聚焦于技术本身，而是围绕基本生理学概念进行组织，要求学生提出假设、解读热图像，并将温度模式与植物功能联系起来。活动涵盖的主题包括水分关系与蒸腾、嫁接愈合部形成、植物–病原体互作、干旱检测、宿主–寄生植物关系、花的产热、花的降温、冰核形成、种子活力评估以及对非生物与生物胁迫的响应。除阐明单个生理现象外，这些活动还强调一个统一原则：红外热成像并非仅仅测量温度，而是通过揭示原本不可见的过程，提供一个了解植物生理学的整合窗口。与此同时，学生将熟悉一种在植物科学、精准农业和作物表型分析中日益广泛使用的研究工具。随着红外相机变得更加经济且易于获取，热成像代表了一种有力且切实可行的途径，可丰富探究式学习并加强本科教学与当代植物研究之间的联系。
1. 引言
植物生理学包含众多学生难以直接观察的动态过程。蒸腾、气孔调节、干旱响应、嫁接愈合部形成、植物–病原体互作以及花的产热等过程，通常通过间接测量推断或借助概念模型加以描述。因此，学生往往难以将理论概念与可观察的植物行为联系起来。红外热成像通过提供具有空间分辨率的、非侵入性的表面温度测量，为克服这一局限提供了有效途径。由于植物温度反映了蒸腾、气孔导度（stomatal conductance）、植物水分状态与环境中能量交换之间的相互作用，热图像提供了生理功能的整合可视化表征。热成像的教育价值不仅在于生成可视化图像，更在于利用温度模式探究植物功能背后的生理机制。长期以来，红外热成像在教学中的广泛应用受限于热相机的高成本。近年来的技术进步大幅降低了这些成本，使便携式手持相机乃至基于智能手机的热传感器对许多教学实验室而言更为可负担。与此同时，红外热成像已成为植物科学诸多领域的一项成熟研究工具，应用范围从干旱生理学和植物–病原体互作，到嫁接亲和性、冷冻事件、种子质量评估和花的产热。尽管研究兴趣日益增长，但针对红外热成像在植物生理学中教育应用的关注相对较少。热成像已被用于科学教育，但在物理学和化学中的使用远比在生物学中频繁。在生物学中，此前的教育报道主要集中于动物与人体生理学、稳态或一般生物学演示，而专门探讨如何利用热成像教授植物生理学核心概念的研究相对较少。关于热相机在植物生物学教育中应用的文章往往面向中学教师以及小学教师。尽管此前一些工作具有可用于大学教学的有趣应用，但除在入门生物学课程中用于演示产热植物外，几乎没有研究探索热成像相机在植物生物学教学中的使用。因此，尽管红外热成像已被用于科学教育和部分大学层面的植物科学课程，但专门设计用于将广泛的植物生理过程整合到基于探究的本科教学中的已发表资源仍然有限。本文通过汇集十项可调整的活动来填补这一空白，这些活动将热观察与生理学问题、实验推理以及对植物功能的解读联系起来，适用于植物生理学、环境植物生理学、应用植物生理学和植物保护等课程。各活动均以一个生理学问题引导学生从预测热响应到解读实验观察。鼓励学生提出假设、解读热模式并将温度模式与潜在生理机制联系起来，从而将理论知识与实验证据相结合。
2. 红外热成像基础
所有温度高于绝对零度的物体都会发射红外辐射。发射的辐射量取决于表面温度和发射率（emissivity），使热相机能够在无物理接触的情况下估算温度。红外相机检测热红外区域（约3–14 μm）内的辐射，并将其转换为称为热图（thermogram）的伪彩色图像，其中每个像素代表被观测物体一小块区域的温度。植物中的这些温度差异常常反映潜在的生理过程，因为叶片温度强烈受蒸腾、气孔导度、植物水分状态及与周围环境能量交换的影响。因此，热图提供了生理功能的间接证据。然而，其解读需要同时考虑植物生理学和图像采集时的物理条件。
2.1. 在教学实验室中获取可靠的热图
尽管红外热成像使用简便，但要获得有意义的热图像需要仔细控制实验条件。对于大多数教学活动而言，目标是比较处理间的相对温度差异，而非获得高度准确的绝对温度测量。因此，标准化测量条件至关重要。采集热图时应考虑若干因素。太阳辐射、环境温度、风和相对湿度等环境条件会独立于植物生理学影响叶片温度，因此应在整个实验过程中尽可能保持恒定。在可行的情况下，应散射光或遮荫条件下采集热图像，以尽量减少直射阳光造成的不均匀加热和热反射。相机与植物之间的距离应保持恒定，目标应占据足够多的像素以确保可靠的温度测量。植物表面通常具有高发射率，非常适合红外热成像；然而，应避免金属标签、湿润表面和光泽背景等反射性材料，因为它们可能引入测量伪影。学生应结合实验设计来解读热图，而不应假定每个温度差异都代表生理响应，因为叶片温度反映了蒸腾、植物水分状态、能量平衡和环境条件的综合影响。这一区分提供了讨论实验测量局限性以及在生理学研究中控制环境变量重要性的绝佳机会。
2.2. 红外热成像在植物生理学中的教育应用
在开展所提出的活动之前，学生应了解红外热成像的基本原理以及与每项任务相关的植物生理学概念。先验知识水平和分析深度可根据课程和学生水平进行调整。
2.2.1. 植物能自我降温吗？可视化蒸腾与气孔调节
红外热成像提供了一种简单直观的方式来可视化气孔开度如何调节蒸腾，进而通过蒸发冷却影响叶片温度。具有植物解剖学和水分关系先验知识的学生应能够将气孔导度与蒸腾和叶片温度联系起来，预测对比环境条件下的热响应，并利用生理学原理解读红外图像。可将充分浇水的植物在光照与黑暗条件下进行比较，或与经受其他降低蒸腾处理（如水分亏缺或脱落酸（ABA）施用）的植物进行比较。这些处理应作为独立的实验比较，而非可互换的对照。叶片相对较大的物种较为适合，因为它们能提供清晰分辨的热图像。在其它条件相当的情况下，黑暗可能促进气孔关闭并减少蒸腾，而光照可能促进气孔开放和蒸发冷却。由此产生的叶片温度响应仍受辐照度、叶片能量平衡、水汽压亏缺、空气流动和植物水分状态的影响。因此，温度差异的预期方向和幅度应被视为在实际测量条件下待检验的假设，而非不变响应。该活动表明，蒸腾不仅是水分运输的驱动力，也是调节叶片温度的有效机制。
2.2.2. 热相机能判断嫁接是否愈合吗？监测嫁接愈合部形成
红外热成像使学生能够可视化嫁接后维管连续性的恢复如何影响水分运输、蒸腾和叶片温度。在嫁接中，通常将植物的根部分（砧木，rootstock）与另一植物的地上部分（接穗，scion）结合形成新植株。了解嫁接过程背景的学生应能够解释为何新嫁接的接穗会经历水分胁迫，解读嫁接愈合部形成过程中叶片温度的变化，并将热模式与木质部功能的逐步恢复联系起来。该实验可使用20株一个月龄的嫁接番茄植株进行。嫁接后，学生使用红外相机定期（如嫁接后0、2、4和6天—DAG）监测植株。在分析热图之前，学生预测随着嫁接愈合部发育叶片温度可能如何变化，并从植物–水分关系角度论证其预测。嫁接后立即，砧木与接穗之间的水力连接被破坏，接穗可能因此经历水分亏缺、气孔关闭和蒸腾减少，从而减少蒸发冷却并使叶片温度接近环境温度。随着嫁接愈合部发育和水力功能恢复，水分运输和蒸腾可能恢复，在其它条件相当的情况下导致叶片温度降低。该活动说明红外热成像可提供一种快速、非破坏性的手段来监测与嫁接愈合部发育相关的生理变化。
2.2.3. 热相机能在症状出现前检测病害吗？探究植物–病原体互作
红外热成像使学生能够可视化植物病原体如何改变气孔行为以及这些生理响应如何影响叶片温度。具备植物–病原体互作先验知识的学生应能够解释病原体感染如何影响气孔导度，将叶片温度的局部变化解读为蒸腾改变的指标，并认识热成像在植物病害早期检测中的潜力。学生比较健康植株与约一周前接种叶面病原体（如番茄中的 Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000）植株的热图，或在感染材料不可用时分析已发表的热图像。在检查图像之前，他们预测感染组织可能比健康组织更暖还是更冷，并从蒸腾和气孔行为角度论证其假设。在许多植物–病原体互作中，气孔关闭是早期植物响应之一，尽管响应的方向和幅度取决于病原体、感染阶段和宿主响应。当气孔导度和蒸腾下降时，蒸发冷却可能减少，感染组织可能比周围健康区域更暖。该活动表明红外热成像检测的是病原体感染的生理后果而非病原体本身。为激发探究，可问学生：植物会“发烧”吗？在某些热图像中，感染组织比周围组织更暖。然而，这并不意味着植物通过类似动物的体温调节响应产生发热。
2.2.4. 能在植物萎蔫前检测干旱吗？优化灌溉调度
红外热成像使学生能够可视化水分亏缺如何改变气孔行为、叶片温度和植物水分状态，从而在可见症状出现前检测干旱胁迫。灌溉应始于植物刚变暖时，还是仅在可见萎蔫发展后才开始？学生解释为何水分胁迫植物在可见萎蔫前变暖，将热图像解读为植物水分状态的指标，并认识红外热成像在精准灌溉中的作用。已完成活动2.2.1并熟悉水分关系的学生可比较充分浇水对照植株与经历渐进性水分剥夺（如0、2、4、6、8和10天不灌溉）的相同植株。随着土壤水分可利用性下降，气孔逐渐关闭以减少蒸腾失水。由此产生的蒸发冷却减少导致叶片温度升高，通常比植株出现可见萎蔫症状早数天。因此，热成像揭示了仅凭视觉检查无法察觉的早期干旱生理响应。该活动介绍了红外热成像最重要的农业应用之一。通过将实验室观察与这些现实应用联系起来，学生深入了解植物生理学原理如何支撑现代精准农业。
2.2.5. 为何槲寄生比其宿主更凉，而菟丝子通常不是？探究宿主–寄生植物互作
红外热成像使学生能够探索蒸腾、气孔导度和宿主–寄生植物水分关系如何塑造植物温度。学生首先面对一个简单而引人入胜的问题：“两种寄生植物依赖宿主获取水分和养分。为何一种比其宿主低数度，而另一种几乎在热学上难以区分？”槲寄生（如 Viscum album 或 Phoradendron spp.）通常比周围宿主冠层更凉，因为它们维持高气孔导度和蒸腾速率，产生大量蒸发冷却。相比之下，菟丝子（Cuscuta spp.）通常表现出与宿主茎相似的温度。尽管它们与木质部和韧皮部均建立功能性连接，但其蒸腾表面积小、气孔发育有限且蒸腾速率低，导致蒸发冷却很少，因而与宿主的热对比极小。该活动表明植物温度由生理过程而非生态生活方式决定。学生因此认识到红外热成像并不区分寄生植物与非寄生植物；相反，它揭示了不同生理策略如何影响植物能量平衡。
2.2.6. 植物能产热吗？探究花的产热
红外热成像使学生能够可视化植物代谢最显著的例子之一：产热物种的花主动产生热量。不同于大多数开花植物，产热物种维持花部结构比周围空气高数度。热图像揭示温暖的花器官与相邻叶片和周围环境形成对比，提供了与代谢产热一致的可视化证据。花的产热是一种罕见但显著的适应，在多个植物谱系中独立演化。热量通过强烈的呼吸活动产生，主要涉及交替氧化酶途径，并可能增强花香的挥发、通过提供热奖励增加传粉者吸引力，或在凉爽环境条件下保护敏感生殖组织。由于传统温度计仅提供点测量，红外热成像提供了一种快速、非侵入性的方法来可视化热量产生的空间分布和时间动态。该活动挑战了学生中最常见的误解之一：植物仅采用其周围环境的温度且无法产热。
2.2.7. 花能比叶更凉吗？探究太阳加热与花的降温
红外热成像使学生能够研究蒸腾和能量平衡的差异如何影响某些植物物种中花与营养器官的温度。学生被问：如果花比叶接受更多阳光，它们不应总是更暖吗？在炎热环境条件下，一些非产热的花和花序能维持表面温度显著低于环境气温。这些差异反映了辐射能量交换、对流热传递、蒸发冷却以及花部性状（如形态、朝向和光学特性）的综合效应。在地中海夏季开花的菊科（Asteraceae）中，这种降温可能既有利于生殖组织（通过减少热胁迫），也有利于访花昆虫（通过在高环境温度期间提供相对凉爽的微生境）。此外，花部温度不一定在花表面均匀分布，不同的花部结构可能呈现对比温度，有助于形成独特的花部微气候。通过比较同一植株的花和叶，学生认识到植物器官的温度由生理和结构性状主动调节，而非仅由周围环境决定。
2.2.8. 冷冻能使叶片变暖吗？可视化植物中的冰核形成与冰传播
红外热成像使学生能够说明冰如何成核并通过植物组织传播，揭示肉眼不可见的冷冻事件。学生解释为何冰的形成伴随潜热释放，解读显示冰核形成和传播的热图像，并讨论冷冻动力学对植物生存和作物保护的意义。尽管冷冻最终导致组织温度降低，但冰晶的初始形成伴随融化潜热的释放。因此，热图像揭示冰核形成位点短暂而局部的温度升高，随后随着冷冻在组织中扩散而出现热前沿的快速传播。这种短暂升温提供了对原本不可见物理过程（即冷冻的进展）的直接可视化。重要的是，红外热成像并不可视化冰晶本身；相反，它检测伴随冰形成的潜热短暂释放。该活动说明红外热成像如何提供一种独特的、非侵入性的方法来研究活体植物中的冷冻动力学，具有高空间和时间分辨率。
2.2.9. 热相机能预测种子是否会萌发吗？通过主动红外热成像评估种子活力
主动红外热成像使学生能够研究种子老化如何改变种子的热特性，以及如何利用这些变化快速、非破坏性地评估种子活力。熟悉种子萌发生理学的学生可被问：“活力种子和老化种子应以相同速率冷却吗？”学生解释种子劣变如何影响热行为，区分被动和主动红外热成像，并将冷却曲线解读为种子质量和萌发潜力的指标。尽管种子在加热后可能达到相似温度，但它们根据其物理和生理状况可能以不同速率散发热量。种子老化可改变组织结构和热特性，导致热衰减的可测量差异。与依赖自然发生的温度差异的被动热成像的前述活动不同，该实验引入主动红外热成像，其中受控热刺激增强了原本不可察觉的热对比。相机记录种子如何吸收、储存和散失外部供应的热量；它并不检测代谢产热。
2.2.10. 热成像能检测隐藏的植物胁迫吗？监测非生物与生物胁迫响应
红外热成像使学生能够研究多种非生物和生物胁迫如何改变植物生理过程，以及如何在可见症状发展之前检测这些变化。学生比较健康植株与经受选定非生物胁迫（如盐分、淹水或营养缺乏）植株的热图。这些应作为独立案例研究处理，每个案例均设适当的对照、明确的胁迫处理和生理学假设。许多非生物胁迫可改变气孔导度、蒸腾和叶片能量平衡，但它们并不都产生相同的热响应。温度变化的幅度、时间和空间分布取决于胁迫类型、严重程度和持续时间、物种及其生理响应以及 prevailing 环境条件。作为本系列的最后一项活动，该练习汇集了前面各节介绍的许多概念。红外热成像并非诊断特定胁迫类型，而是揭示植物功能的改变，使学生认识到多种环境约束往往汇聚于共同的生理途径，特别是涉及气孔调节、水分关系和能量平衡的途径。
3. 教育视角
本文提出的活动基于探究式学习方法。所有活动的一个显著特征是它们以引发思考的问题而非解释开始。具有不同植物生理学领域背景的学生首先被邀请预测植物的预期热响应，然后获取或分析热图，最后根据潜在生理过程解读所观察到的温度模式。这一顺序鼓励学生提出假设、用实验证据检验其预测并通过讨论完善其理解。许多所提出的活动有意挑战直觉假设。例如，学生被问植物能否自我降温、花能否产热，或冷冻能否短暂使叶片变暖。此类问题创造认知冲突，激发概念转变并鼓励学生整合植物–水分关系、能量平衡、植物–环境相互作用和代谢方面的知识。热图提供了温度模式的即时可视化表征，可能有助于学生建立原本难以直接观察的联系。所提出的活动基于植物生理学中成熟的概念，并借鉴了该学科不同领域的发现。然而，红外热成像提供的是与植物功能相关的热模式的证据，而非直接揭示潜在过程。因此，温度应被解读为植物功能的间接指标，其含义取决于对潜在生理学的理解。这一局限性本身就是一个重要的教育机会，因为它鼓励学生区分观察与其生物学解读。
4. 结论
红外热成像提供了一种有力且易于获取的手段，使植物生理学“可见”。通过将温度转化为生理信号，热成像使学生能够观察原本只能间接推断的过程，从而加强理论概念与实验证据之间的联系。本文提出的十项基于探究的活动表明，红外热成像可支持跨广泛植物生理学主题的教学，包括蒸腾、嫁接愈合部形成、植物–病原体互作、干旱胁迫、宿主–寄生植物关系、花部温度调节、冷冻、种子质量和非生物胁迫响应。尽管这些现象看似无关，但它们都说明了同一基本原则：植物温度是一种整合的生理性状，反映了代谢、水分关系与环境之间的相互作用。除丰富实践教学外，红外热成像还使学生熟悉一种在植物科学、精准农业和植物表型分析中日益重要的研究工具。随着便携式热相机变得更加经济，将其纳入本科教学实验室代表着促进主动学习和探究式教育、同时加强教学、研究与专业实践之间联系的一种潜在有价值的策略。最终，红外热成像的教育价值不在于技术本身，而在于其揭示植物功能生理后果的能力。学生不仅学习测量温度，还学习将温度解读为植物如何运作的证据。
