基于模式生物的遺傳學(xué)理論和實(shí)踐的教學(xué)初探

謝天熾，曾 軍，申本昌，李佩瓊，張錦宏

（廣州醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)遺傳與細(xì)胞生物學(xué)教研室，廣東 廣州 510182）

模式生物（Model Organisms）是指由生物學(xué)家選定的，用于揭示某種具有普遍規(guī)律生命現(xiàn)象的物種［1］，一般具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、世代周期短、子代多、培養(yǎng)方便和基因組小等特點(diǎn)。遺傳學(xué)是生命科學(xué)中的一門新興學(xué)科，發(fā)展迅速，應(yīng)用性強(qiáng)，涉及到生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)已成為現(xiàn)代生命科學(xué)的核心，在高校生命科學(xué)類專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案中具有舉足輕重的地位。遺傳學(xué)上的若干重大發(fā)現(xiàn)都與模式生物的研究有著密切關(guān)系，把模式生物的研究與遺傳學(xué)的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，將有助于學(xué)生更深入地理解遺傳學(xué)的基本原理，開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的研究思維和動(dòng)手能力，為其進(jìn)一步學(xué)習(xí)、科研打下良好基礎(chǔ)。

1 遺傳學(xué)研究常用的模式生物及其特點(diǎn)

1.1 大腸桿菌（Escherichia coli）

大腸桿菌為埃希氏菌屬（Escherichia）代表菌。其基因組由一環(huán)狀DNA組成，約42kb，編碼4，288個(gè)基因，繁殖迅速（平均30min／代），易于培養(yǎng)和操作。法國(guó)科學(xué)家F.Jacob和J.Monod通過對(duì)大腸桿菌的研究提出了原核生物基因表達(dá)調(diào)控的操縱子學(xué)說，獲得1965年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。大腸桿菌作為生命科學(xué)研究的模式系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢(shì)是具有遺傳交換系統(tǒng)。遺傳交換使定位突變、構(gòu)建含多種突變的菌株、構(gòu)建用來辨別顯性突變和隱性突變及進(jìn)行順反式分析的部分雙倍體的菌株成為可能［2］。

1.2 黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）

果蠅作為經(jīng)典遺傳學(xué)的模式生物，為基因?qū)W說的創(chuàng)立作出了不可替代的貢獻(xiàn)。20世紀(jì)初期，摩爾根（Thomas Hunt Morgan）和他的弟子們，通過果蠅實(shí)驗(yàn)證實(shí)了遺傳的染色體學(xué)說，并發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的連鎖與交換定律，奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。果蠅作為模式生物有著其突出的優(yōu)點(diǎn)：①繁殖能力強(qiáng)，世代短（約12天／代），易于大量培養(yǎng)和進(jìn)行突變體的篩選；②遺傳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有4對(duì)染色體，編碼13601個(gè)基因，其基因組測(cè)序已于2000年基本完成；③胚胎發(fā)育速度快，易于觀察軀體模式形成和各器官結(jié)構(gòu)的變化；④幼蟲期的各對(duì)“成蟲盤”相應(yīng)發(fā)育為成蟲特定的器官，是研究細(xì)胞分化的絕佳材料。相對(duì)高等動(dòng)物而言，果蠅在基因分子進(jìn)化、細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝、分化、繁殖和器官發(fā)生等方面具有保守性，其研究成果對(duì)探討其他生物的遺傳發(fā)育規(guī)律具有重要的指導(dǎo)價(jià)值［3］。

1.3 秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans，C.elegans）

秀麗隱桿線蟲 （簡(jiǎn)稱線蟲），體長(zhǎng)僅1.5mm，世代周期約3.5天，繁殖能力強(qiáng)，可在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)和觀察。其基因組測(cè)序在1998年完成，約含13，500個(gè)基因。線蟲有一重要特點(diǎn)，就是其細(xì)胞數(shù)目少而且固定，成蟲有959個(gè)體細(xì)胞；在整個(gè)生活周期中全身透明，解剖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于在顯微鏡鏡下進(jìn)行觀察和跟蹤發(fā)育過程中的細(xì)胞分化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線蟲在發(fā)育過程中有12%的細(xì)胞（131個(gè)細(xì)胞）經(jīng)程序性死亡而消失，因而成為研究細(xì)胞程序性死亡的遺傳機(jī)理的重要模型［4］。同時(shí)，RNAi干擾現(xiàn)象也是首先在線蟲上發(fā)現(xiàn)，Andrew Z.Fire和 Craig C.Mello因其關(guān)于線蟲 RNAi的研究而獲得2006年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

1.4 斑馬魚（Danio rerio）

斑馬魚是小型熱帶魚類，在20世紀(jì)70年代開始受到科學(xué)家們的關(guān)注，其基因組全系列測(cè)定已經(jīng)完成。斑馬魚具有繁殖能力強(qiáng)、體外受精和發(fā)育、胚胎透明、性成熟周期短、個(gè)體小、易養(yǎng)殖等諸多特點(diǎn)，其卵子比一般哺乳動(dòng)物卵子大十倍，外源基因容易導(dǎo)入胚胎中，胚胎學(xué)和遺傳學(xué)操作技術(shù)成熟，現(xiàn)已成為最重要的模式脊椎動(dòng)物之一［5］。

1.5 擬南芥（Arabidopsis thaliana）

擬南芥是一種十字花科植物，其具有植株小，生長(zhǎng)周期短，種子多，培育簡(jiǎn)單，基因組小等特點(diǎn)。擬南芥只有5對(duì)染色體，是已知植物基因組中最小的植株，但它的大多數(shù)基因與高等植物基因具有很高的同源性，在代謝、遺傳、發(fā)育、環(huán)境響應(yīng)等方面往往具有開花植物的全部特征。同時(shí)，擬南芥是自花受粉植物，基因高度純合，用理化因素處理突變率很高，極易開展大規(guī)模的遺傳篩選。目前擬南芥已經(jīng)成為植物科學(xué)研究中最重要的模式生物，被科學(xué)家譽(yù)為“植物中的果蠅”［6］。

2 模式生物在遺傳學(xué)理論教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 通過模式生物引入新的知識(shí)點(diǎn)

很多遺傳學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)都與模式生物的研究有關(guān)，在講授這些知識(shí)點(diǎn)時(shí)可以用經(jīng)典的例子把學(xué)生引入新知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。如在講解遺傳連鎖與交換定律前，教師可以先描述摩爾根的經(jīng)典果蠅實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生找出果蠅實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典孟德爾遺傳規(guī)律相悖之處，并提出可能的假設(shè)以及設(shè)計(jì)驗(yàn)證假設(shè)的實(shí)驗(yàn)，從而鍛煉學(xué)生的思考和推理能力。

2.2 講解模式生物有助于學(xué)生加深理解所學(xué)的理論知識(shí)

遺傳學(xué)上很多繁雜的原理都可在模式生物上找到相關(guān)的例子，在講授這些知識(shí)點(diǎn)后可舉例說明這些例子，幫助學(xué)生深入理解所學(xué)的知識(shí)。如在講解核外遺傳分析的原理后，可以舉例說明果蠅的CO2敏感性以及性比（sex ratio，SR）現(xiàn)象均與核外遺傳中的感染性遺傳有關(guān)，從而加深學(xué)生對(duì)核外遺傳現(xiàn)象與本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

2.3 講解模式生物有助于學(xué)生歸納所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)

許多紛雜的生命現(xiàn)象有其獨(dú)特的遺傳學(xué)機(jī)制，這些繁雜的遺傳學(xué)現(xiàn)象相對(duì)獨(dú)立，彼此缺少明顯聯(lián)系。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍感覺遺傳學(xué)知識(shí)點(diǎn)過多、凌亂，難以綜合歸納，在學(xué)習(xí)過程中有畏難情緒，嚴(yán)重地影響了遺傳學(xué)教學(xué)。在遺傳學(xué)課程學(xué)習(xí)的結(jié)束階段，筆者針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生，并以模式生物為主要線索，將遺傳學(xué)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的多向性思維和綜合歸納能力，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如以大腸桿菌為線索，可以歸納中斷雜交作圖、原核生物操縱子原理、質(zhì)粒介導(dǎo)核外遺傳原理等知識(shí)點(diǎn)；以果蠅為線索，可以歸納遺傳連鎖與互換定律、性別決定與伴性遺傳、性比現(xiàn)象、三點(diǎn)測(cè)交與遺傳作圖原理、表觀遺傳調(diào)控、轉(zhuǎn)座子、發(fā)育的遺傳控制等知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握了遺傳學(xué)的基本知識(shí)。

3 模式生物在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 模式生物實(shí)驗(yàn)有利于開展研究性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著生命科學(xué)的高速發(fā)展和教育理念的改革，簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性和觀察性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今的教學(xué)需要，遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)置已經(jīng)向研究性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變［7］。模式生物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、世代短、子代多、培養(yǎng)方便等特點(diǎn)，用其作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料，將易于實(shí)現(xiàn)研究性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。而且學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)初步掌握模式生物的生長(zhǎng)習(xí)性和操作方法，為以后進(jìn)一步研究打下良好基礎(chǔ)。

3.2 模式生物實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解所學(xué)的理論知識(shí)

遺傳學(xué)是一門推理性的學(xué)科，而不是描述性的。研究遺傳學(xué)的方法很像物理學(xué)，是根據(jù)自然現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)推理出一種假說，然后通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證［8－9］。很多遺傳學(xué)的原理都可在模式生物上驗(yàn)證，我們可根據(jù)理論課的進(jìn)度安排相應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和吸收。

如在學(xué)習(xí)三大遺傳基本定律后，可開展果蠅雜交實(shí)驗(yàn)。剛接觸遺傳學(xué)的大學(xué)新生，在學(xué)習(xí)連鎖與交換有關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)一般認(rèn)為同一條染色體上連鎖的基因都會(huì)發(fā)生交換。我們通過設(shè)計(jì)兩個(gè)連鎖基因的雄果蠅和雌果蠅的測(cè)交實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解到雄果蠅的完全連鎖，即位于雄果蠅染色體上連鎖的基因不發(fā)生交換的事實(shí)，使學(xué)生加深完全連鎖的感性認(rèn)識(shí)，取得了較好的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上，筆者提醒學(xué)生雌蠶的完全連鎖現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考、討論為什么雄果蠅雌蠶是完全連鎖，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；并鼓勵(lì)學(xué)生在以后工作中要根據(jù)實(shí)驗(yàn)和觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)并解決問題。

4 結(jié)語

隨著生命科學(xué)的發(fā)展，模式生物的研究日益顯示出其重要性。在遺傳學(xué)課程的理論課程和實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中應(yīng)用模式生物，可使理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓學(xué)生既能更有效地掌握教材中的基本知識(shí)，又能了解該學(xué)科的前沿領(lǐng)域和發(fā)展方向，為其進(jìn)一步學(xué)習(xí)、科研奠定良好的基礎(chǔ)。

［1］Zhao XY，Liang SF，Yao SH，et al.Identification and preliminary function study of Xenopus laevis DRR1gene［J］.Biochem Biophys Res Commun，2007，361：74－78.

［2］王 凱.生命科學(xué)研究中常用模式生物［J］.生命科學(xué)研究，2010，14（2）：156－165.

［3］吳慶余.基礎(chǔ)生命科學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2006：158－193

［4］樊啟昶，白書農(nóng).發(fā)育生物學(xué)原理［M］.北京：高等教育出版社，2002：9－l0

［5］Liu CS，Mu Y，Du JL.Application of the zebrafish in the research of life sciences ［J］.Chin Bull Life Sci（生 命 科學(xué)），2007，19：382－386.

［6］張振楨，許煜泉，黃 海.擬南芥—一把打開植物生命奧秘的鑰匙［J］.生命科學(xué)，2006，18（5）：442－446.

［7］王金發(fā).整合理念構(gòu)建開放式研究性的教學(xué)與學(xué)習(xí)新模式［J］.中國(guó)高等教育，2007，（21）：20－22

［8］徐晉麟，徐 沁，陳 淳.現(xiàn)代遺傳學(xué)原理（第二版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：1－5.

［9］戴灼華，王亞馥，栗翼玟.遺傳學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2007：80－107.