生命科學(xué)與技術(shù)前沿中基因工程教學(xué)之我見

施海濤　方嬌　陳銀華

摘 要： 在現(xiàn)代生命科學(xué)與生物技術(shù)高速發(fā)展的背景下，針對(duì)高等教育農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)專業(yè)的必修課程生命科學(xué)與技術(shù)前沿中基因工程的教學(xué)現(xiàn)狀及學(xué)生們學(xué)習(xí)積極性不高的問(wèn)題，作者所在單位通過(guò)集中各專業(yè)豐富教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)的教授，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐和在科研一線的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了與時(shí)俱進(jìn)的改革探索，取得了較好的教學(xué)效果，大大開闊了學(xué)生們的眼界和思路，提高了他們對(duì)生命科學(xué)的興趣。

關(guān)鍵詞： 生命科學(xué)與生物技術(shù) 課程改革 教學(xué)效果

21世紀(jì)，生命科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為世界科學(xué)前沿最活躍的學(xué)科之一，特別是其中的基因工程，代表和引領(lǐng)著科學(xué)發(fā)展的最新方向。隨著各種新理論、新概念、新技術(shù)和新方法的不斷涌現(xiàn)，部分生命科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程的設(shè)置和內(nèi)容明顯落后于現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，很多先進(jìn)的技術(shù)方法和新理論不能及時(shí)地走進(jìn)課堂，使學(xué)生們?nèi)狈?duì)高新技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)進(jìn)步和日常生活影響的認(rèn)識(shí)，影響了他們科學(xué)價(jià)值觀的形成。

筆者所在單位設(shè)置了生命科學(xué)與技術(shù)前沿中基因工程講座課，由具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研經(jīng)驗(yàn)的教授共同承擔(dān)，介紹各相關(guān)領(lǐng)域基因工程的基本原理方法、新理論、新概念、新技術(shù)、新方法和最新的研究進(jìn)展等。通過(guò)該課程改革，取得了較好的教學(xué)效果，大大開闊了學(xué)生們的眼界和思路，也提高了他們對(duì)生命科學(xué)的興趣，培養(yǎng)了他們的科學(xué)思維和科學(xué)價(jià)值觀。

一、突出科學(xué)目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容

第一，選擇10余位具豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研經(jīng)驗(yàn)的教授共同承擔(dān)課程，介紹各相關(guān)領(lǐng)域基因工程的10余個(gè)專題，涵蓋多方面的基本原理方法、新理論、新概念、新技術(shù)和最新的研究進(jìn)展等，讓學(xué)生們了解各個(gè)研究方面，從而較早培養(yǎng)他們的研究興趣，有助于以后考研選擇研究方向。這些專題包括：現(xiàn)代生命科學(xué)百年之旅——現(xiàn)代生命科學(xué)大事件，人類腸道細(xì)菌相關(guān)的基因組學(xué)，植物抗病功能基因組學(xué)，人獸共患寄生蟲病：寄生蟲-媒介生物-宿主的相互作用，植物磷素營(yíng)養(yǎng)：原理與進(jìn)展，植物鹽害及其抗鹽性機(jī)理，植物免疫受體研究，葡萄抗病分子機(jī)制，植物受體激酶的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，蛋白質(zhì)泛素化及泛素化介導(dǎo)的激素信號(hào)，能源植物的研發(fā)現(xiàn)狀及其遺傳改良等。

第二，通過(guò)大量舉例向?qū)W生們介紹各方面的理論知識(shí)，采用圖片、動(dòng)畫和小視頻等形式，同時(shí)將一些經(jīng)典的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程和故事融入教學(xué)內(nèi)容。

第三，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的整體性、系統(tǒng)性和前沿性。在教學(xué)中兼顧各個(gè)研究領(lǐng)域，從形態(tài)分類到生理生化，從微觀到宏觀，從細(xì)胞水平到分子水平，從微生物、動(dòng)植物到人類，從生物信息學(xué)到基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)，從而保證教學(xué)內(nèi)容的完整性。要體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性，包括基礎(chǔ)理論研究專題，基礎(chǔ)應(yīng)用研究和應(yīng)用開發(fā)研究。還要保證課程內(nèi)容的前沿性，有助于向?qū)W生們展示研究結(jié)果和方向，也有助于學(xué)生們了解各個(gè)領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)發(fā)展前沿。

第四，在教學(xué)中注意基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合、學(xué)術(shù)與現(xiàn)實(shí)接軌、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。下面我們就這些方面作詳細(xì)的探討。

二、基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合

RNA干擾（RNAi，RNA interference），筆者從該技術(shù)的定義、反應(yīng)過(guò)程、技術(shù)應(yīng)用與最新發(fā)展介紹。RNAi是由雙鏈RNA所誘導(dǎo)產(chǎn)生的同源mRNA的降解現(xiàn)象，廣泛存在于動(dòng)物、植物、真菌等生物中，往往使目標(biāo)基因在轉(zhuǎn)錄后發(fā)生沉默。該現(xiàn)象在動(dòng)物中被稱為RNA干擾，在植物中被稱為轉(zhuǎn)錄后的基因沉默。這一機(jī)制是一個(gè)非常保守的機(jī)制，一般被認(rèn)為是在生物生長(zhǎng)過(guò)程中與病毒作斗爭(zhēng)而長(zhǎng)期保存下來(lái)的一個(gè)非常古老的機(jī)制。RNAi技術(shù)就是利用RNAi原理，人工的合成小RNA分子，或者利用一些載體的構(gòu)建（由同時(shí)表達(dá)的同一基因序列sense RNA和antisense RNA所形成的雙鏈RNA）和轉(zhuǎn)化在體內(nèi)形成特定的小RNA，造成已知的目的基因的沉默的技術(shù)，也被稱為轉(zhuǎn)錄后抑制。近來(lái)，在動(dòng)物和植物中利用人工合成microRNA（artificial microRNA，amiRNA）的RNAi技術(shù)已成功，這一技術(shù)的原理是利用amiRNA替代特定的內(nèi)源microRNA前體中的核心序列，隨后在體內(nèi)形成特定的microRNA，進(jìn)而抑制相應(yīng)基因的表達(dá)。

CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是最新出現(xiàn)的一種由RNA指導(dǎo)的Cas9核酸酶對(duì)靶向基因進(jìn)行編輯的技術(shù)。CRISPR/Cas9是細(xì)菌和古細(xì)菌為應(yīng)對(duì)病毒和質(zhì)粒不斷攻擊而演化而來(lái)的獲得性免疫防御機(jī)制。在這一系統(tǒng)中，crRNA（CRISPR-derived RNA）通過(guò)堿基配對(duì)與tracrRNA（trans-activating RNA）結(jié)合形成雙鏈RNA，此tracrRNA/crRNA二元復(fù)合體指導(dǎo)Cas9蛋白在crRNA引導(dǎo)序列靶定位點(diǎn)切斷雙鏈DNA。CRISPR/Cas9的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，對(duì)基因組的效率高。需要對(duì)某一個(gè)靶位點(diǎn)編輯的時(shí)候，只需要表達(dá)相應(yīng)的sgRNA即可，不需要對(duì)Cas9核酸酶進(jìn)行改造。CRISPR-Cas系統(tǒng)已經(jīng)成功作為一種工具，在動(dòng)物和植物細(xì)胞中執(zhí)行高效、高特異性的全基因組篩選，在增強(qiáng)靶標(biāo)特異性方面取得了巨大的進(jìn)步，為尋找人類健康和疾病相關(guān)的基因功能及作物產(chǎn)量與抗性相關(guān)的重要基因功能，帶來(lái)了無(wú)限的可能性。

三、學(xué)術(shù)與現(xiàn)實(shí)接軌

中國(guó)地大物博，有豐富的各類資源，那么農(nóng)學(xué)方面呢？筆者在課堂中以日常中最常見的農(nóng)作物水稻為例，說(shuō)明野生稻遺傳資源是開展水稻遺傳育種和生物研究的物質(zhì)基礎(chǔ)，亦是糧食生產(chǎn)發(fā)展的寶貴財(cái)富。中國(guó)是野生稻資源最豐富的國(guó)家，南起海南三亞，北至江西東鄉(xiāng)縣，東起臺(tái)灣省，西至云南省盈江縣都發(fā)現(xiàn)過(guò)野生稻?，F(xiàn)代栽培稻相對(duì)普通野生稻，丟失了大量?jī)?yōu)異基因，有抗病、蟲、雜草及抗逆基因，也有高效營(yíng)養(yǎng)和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)基因。袁隆平先生選育的雜交稻繼承了普通野生稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)基因。

如何利用我國(guó)豐富的野生種質(zhì)資源，特別是植物資源？（1）從某一物種的大量種質(zhì)資源庫(kù)中篩選獲得品質(zhì)優(yōu)良和抗性較強(qiáng)的品種可以直接應(yīng)用；（2）利用抗性差異較大的品種，通過(guò)關(guān)鍵位點(diǎn)的定位或全基因組關(guān)聯(lián)分析得出控制某些性狀的主效基因，進(jìn)行功能驗(yàn)證后通過(guò)分子設(shè)計(jì)改良間接應(yīng)用；（3）利用差異較大的品種，通過(guò)各種組學(xué)的比較分析，分離鑒定并驗(yàn)證這些差異表達(dá)基因或代謝物在這些性狀調(diào)控中的作用。

最后，筆者在課堂上與學(xué)生探討了轉(zhuǎn)基因的安全性問(wèn)題，讓他們正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)代新興技術(shù)，并應(yīng)用科學(xué)的思維態(tài)度正確應(yīng)對(duì)各種流言。此外，一些不涉及食品安全的轉(zhuǎn)基因植物，更是容易得到絕大多數(shù)人的認(rèn)可。比如：⑴花青素衍生物呈紅色，翠雀素衍生物呈藍(lán)色等。在黃酮類色素的生物合成途徑中，苯基苯乙烯酮合成酶（CHS）是一個(gè)關(guān)鍵酶。利用反義RNA技術(shù)可有效抑制矮牽?；▽僦参锛?xì)胞內(nèi)的CHS基因表達(dá)，使轉(zhuǎn)基因植物花冠的顏色由野生型的紫紅色變成白色，并且對(duì)CHS基因表達(dá)抑制程度的差異可產(chǎn)生一系列中間類型的花色。（2）轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。昆蟲對(duì)農(nóng)作物的危害極大，全世界每年因此損失數(shù)千億美元。目前對(duì)付昆蟲的主要武器仍是化學(xué)殺蟲劑，不但嚴(yán)重污染環(huán)境，而且誘使害蟲產(chǎn)生相應(yīng)的抗性。將抗蟲基因?qū)朊藁ㄊ侵参锘蚬こ痰牡靡庵P，能避免化學(xué)殺蟲劑所造成的許多負(fù)面影響。目前，抗蟲作物已占全球轉(zhuǎn)基因作物的22%，用于構(gòu)建抗蟲害轉(zhuǎn)基因植物常見的外源基因有蘇云金芽孢桿菌的毒晶蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、凝集素基因、脂肪氧化酶基因、幾丁質(zhì)酶基因、蝎毒素、蜘蛛毒素基因等40多個(gè)，其中毒晶蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因和凝集素基因應(yīng)用最廣泛。

四、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

近年來(lái)，隨著水稻全基因組測(cè)序工作的完成，水稻基因組研究目前已進(jìn)入后基因組時(shí)代，反向遺傳學(xué)的研究策略必不可少，一些高效的生物學(xué)研究技術(shù)也被大量應(yīng)用，如基因差異表達(dá)分析、基因標(biāo)簽技術(shù)、基因的超量表達(dá)和RNA干擾等。那么農(nóng)桿菌介導(dǎo)的水稻胚性愈傷轉(zhuǎn)化技術(shù)即水稻轉(zhuǎn)基因技術(shù)是怎么操作的呢？一方面，筆者講述了愈傷組織的培養(yǎng)、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化、抗性愈傷組織篩選及分化、生根成苗的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。另一方面，筆者讓學(xué)生們實(shí)地參觀了植物組培室中處于各個(gè)時(shí)期的水稻轉(zhuǎn)基因過(guò)程，并親身體驗(yàn)了部分實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，讓學(xué)生們了解到轉(zhuǎn)基因水稻是如何產(chǎn)生的。

在教學(xué)中提出問(wèn)題，通過(guò)課程教學(xué)和學(xué)生閱讀相關(guān)資料解決問(wèn)題。隨著基因組測(cè)序的完成，出現(xiàn)了大量的基因序列數(shù)據(jù)，勢(shì)必要求人們對(duì)這些基因進(jìn)行功能鑒定。比如植物體內(nèi)基因的功能有兩大方法，一是基因功能喪失，即篩選目的基因功能部分喪失或全部喪失的突變體，比較其與野生型的差異確定該基因的功能；二是基因功能增加，即篩選目的基因高水平表達(dá)的植株即功能增加植株，比較其與相應(yīng)對(duì)照植株（野生型植株，功能喪失突變體）的差異，分析基因功能。

此外，在教學(xué)中還向?qū)W生介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究方法，比如植物對(duì)脅迫的抗性評(píng)價(jià)方法，包括脅迫下植物的生長(zhǎng)情況與生物量、葉片損傷程度與葉綠素含量、光合作用效率、存活率、產(chǎn)量、快速卷葉、氣孔關(guān)閉、高水分利用率、厚角質(zhì)層、滲透調(diào)節(jié)能力、耐脫水性、膜穩(wěn)定性、根系生長(zhǎng)及活力、K■/Na■比等。

五、課堂教學(xué)與課外興趣結(jié)合

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是各種教學(xué)的主要方式，它往往只是讓學(xué)生儲(chǔ)存知識(shí)的過(guò)程，通過(guò)教師的獨(dú)自灌輸，讓學(xué)生被動(dòng)地接受和學(xué)習(xí)，往往邏輯思維能力低下。因此，在課堂教學(xué)過(guò)程中，需要調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)邏輯思維能力，主要通過(guò)設(shè)計(jì)一些學(xué)生感興趣、愿意主動(dòng)進(jìn)行思維的問(wèn)題。本課程主要是生命科學(xué)與技術(shù)前沿介紹，在課堂教學(xué)之后，要求學(xué)生主動(dòng)上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，拓寬視野，對(duì)感興趣的領(lǐng)域進(jìn)一步了解。同時(shí)，對(duì)一些很多學(xué)生都感興趣的專題展開分組討論，讓每位同學(xué)都暢所欲言，展示自己的觀點(diǎn)。在課程結(jié)束時(shí)，讓每位學(xué)生對(duì)自己感興趣的專題查閱相關(guān)資料，做一個(gè)5-10分鐘的PPT，在老師同學(xué)面前講解出來(lái)，并展開討論。

通過(guò)學(xué)習(xí)和借鑒不同老師和學(xué)科的現(xiàn)代教學(xué)理念，不斷改進(jìn)了教學(xué)方式和課程考核方式，開闊了學(xué)生們的國(guó)際視野，啟發(fā)了本科生和研究生的科研思路，增強(qiáng)了他們的創(chuàng)新意識(shí)并進(jìn)一步發(fā)展了他們的創(chuàng)新能力。同時(shí)，通過(guò)課程教學(xué)，可以培養(yǎng)一批具有較好的教學(xué)效果、較高教學(xué)水平、能夠參相關(guān)國(guó)際學(xué)術(shù)交流的中青年優(yōu)秀骨干教師。

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感謝海南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目——教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（題目：基因工程海南省精品課程體系與教學(xué)內(nèi)容整體優(yōu)化研究，批準(zhǔn)號(hào)：Hnjg2016-10）和海南大學(xué)教育教學(xué)研究課題立項(xiàng)項(xiàng)目（題目：基因工程海南省精品課程體系與教學(xué)內(nèi)容整體優(yōu)化研究，批準(zhǔn)號(hào)：hdjy1601）的資助。