本科細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)的模塊化教學(xué)探索

劉志祥 曾超珍

摘要 ? ?細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)是本科遺傳學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，但由于課時(shí)的限制往往無(wú)法全部完成。在對(duì)現(xiàn)有遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，按照模塊化設(shè)計(jì)將細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)分解為染色體誘變技術(shù)、染色體標(biāo)本制備技術(shù)、染色體分析技術(shù)3個(gè)模塊，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以期為提高細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?細(xì)胞遺傳學(xué);核心實(shí)驗(yàn);模塊化設(shè)計(jì);教學(xué)方式

中圖分類(lèi)號(hào) ? ?G642;Q37.0 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）15-0255-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract ? ?Cytogenetics experiment is an important content in undergraduate genetics teaching， but due to the limitation of class hours， it is often impossible to complete all of them. Based on the analysis of the existing genetics experiment textbooks， the cytogenetics experiment was decomposed into three modules of chromosome mutagenesis technology， chromosome specimen preparation technology， and chromosome analysis technology accord-ing to the modular design. On this basis， comprehensive， designed experimental teaching was carried out， so as to provide references for improving the quality of cytogenetics experimental teaching.

Key words ? ?cytogenetics; core experiment; modular design; teaching method

遺傳學(xué)是引領(lǐng)生命科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)核心學(xué)科，也是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科[1]。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、思維能力和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)[2]。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在森林資源類(lèi)、植物生產(chǎn)類(lèi)等本科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中是最重要、綜合性最強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程之一[3]。

本科遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可歸類(lèi)為經(jīng)典遺傳學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)、微生物遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)、數(shù)量與群體遺傳學(xué)5個(gè)板塊[2，4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來(lái)越重視分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、質(zhì)粒提取與酶切、大腸桿菌轉(zhuǎn)化等基礎(chǔ)分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目早已經(jīng)進(jìn)入遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，甚至一些較復(fù)雜的分子遺傳學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)，例如QTL分析、RNA干擾等也已經(jīng)引入到了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程[6-7]，從而使分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)在遺傳學(xué)課程實(shí)驗(yàn)中所占比例不斷增加。這一趨勢(shì)與現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展是相契合的，但也導(dǎo)致在總學(xué)時(shí)基本不變的情況下，細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)等經(jīng)典內(nèi)容勢(shì)必被壓縮。

面向森林資源類(lèi)、植物生產(chǎn)類(lèi)等本科專(zhuān)業(yè)，本文在對(duì)現(xiàn)有遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了細(xì)胞遺傳學(xué)的核心實(shí)驗(yàn)，嘗試按照模塊化設(shè)計(jì)將其分解為染色體誘變技術(shù)、染色體標(biāo)本制備技術(shù)、染色體分析技術(shù)3個(gè)模塊，在此基礎(chǔ)上探討開(kāi)展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文對(duì)在課時(shí)有限的條件下提高本科細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有一定的參考價(jià)值。

1 ? ?細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

細(xì)胞遺傳學(xué)是細(xì)胞學(xué)與遺傳學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它以染色體為研究對(duì)象，揭示染色體與生物遺傳、變異與進(jìn)化的關(guān)系。細(xì)胞遺傳學(xué)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，與分子生物學(xué)結(jié)合發(fā)展成為分子細(xì)胞遺傳學(xué)，并隨著高通量測(cè)序等組學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步形成系統(tǒng)完善的細(xì)胞遺傳學(xué)[8-9]。細(xì)胞遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)診斷[10]、倍性育種[11]、染色體工程[12]中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)在本科遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有十分重要的地位。

從Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索最近10年（2009—2018年）遺傳學(xué)中2種熱門(mén)的分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（基因編輯、RNA干擾）和3種經(jīng)典的細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[核型分析、熒光原位雜交（FISH）、染色體顯帶]相關(guān)SCI論文數(shù)量，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，作為新興技術(shù)，基因編輯相關(guān)論文數(shù)量近年來(lái)迅速增加，自2016年開(kāi)始每年相關(guān)論文數(shù)量均超過(guò)2 000篇，且呈逐年快速增加的趨勢(shì);RNA干擾雖然近3年相關(guān)論文數(shù)量呈下降趨勢(shì)，但每年論文數(shù)量一直維持在5 000篇以上，是遺傳學(xué)研究中的熱門(mén)技術(shù);在經(jīng)典細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，染色體顯帶技術(shù)相關(guān)論文相對(duì)較少，基本穩(wěn)定維持在每年100～200篇，但核型分析和熒光原位雜交相關(guān)論文數(shù)量近10年來(lái)均穩(wěn)定維持在每年2 000～3 000篇;這表明細(xì)胞遺傳學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)技術(shù)（核型分析、熒光原位雜交等）在生命科學(xué)研究中仍然具有相當(dāng)重要的作用。

因此，在實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限的前提下，以“綜合性、設(shè)計(jì)性”為導(dǎo)向，如何高質(zhì)量做好細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科遺傳學(xué)教學(xué)中需要解決的重要課題。

2 ? ?細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)?zāi)K化設(shè)計(jì)

2.1 ? ?細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)本科遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中收錄的細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有12項(xiàng)[2-5，13]，如表1所示。顯然，受實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的限制，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在教學(xué)中是無(wú)法全部完成的。在實(shí)際教學(xué)工作中，任課教師只能根據(jù)實(shí)際課時(shí)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的條件從中選取少量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行，因而導(dǎo)致在細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容選取過(guò)程中往往存在一定的隨意性。因此，有必要從細(xì)胞遺傳學(xué)整體實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系的角度對(duì)這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行梳理和分析，確定哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在教學(xué)中優(yōu)先保證這些項(xiàng)目的完成。由于細(xì)胞遺傳學(xué)是以染色體為主要研究對(duì)象，因而染色體操作與分析是細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

2.1.1 ? ?核心實(shí)驗(yàn)。涉及核型分析、熒光原位雜交、染色體顯帶等，屬于遺傳學(xué)特色實(shí)驗(yàn)，基本不會(huì)與其他課程重復(fù)，更重要的是在現(xiàn)代遺傳學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中仍然經(jīng)常使用，在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中應(yīng)該盡量開(kāi)設(shè)。因此，可以將之歸為細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 ? ?非核心實(shí)驗(yàn)。植物組織培養(yǎng)、植物原生質(zhì)體的分離再生不直接涉及染色體操作與分析，且與植物生理學(xué)、植物組織培養(yǎng)、細(xì)胞工程等實(shí)驗(yàn)課程存在重復(fù)，在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中可不開(kāi)設(shè);有絲分裂和減數(shù)分裂過(guò)程中染色體行為的觀察、果蠅唾腺染色體的觀察、姊妹染色單體區(qū)分染色、植物微核檢測(cè)屬于比較經(jīng)典的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在課時(shí)允許的條件下可以開(kāi)設(shè)。

2.2 ? ?模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中，所列的核心實(shí)驗(yàn)均為各自獨(dú)立的項(xiàng)目（表1）。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以采用模塊化方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，既能在有限的課時(shí)內(nèi)盡量覆蓋全面的內(nèi)容，又可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。按照所涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和目的，細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)可以分為3個(gè)模塊，即染色體誘變技術(shù)（包括染色體數(shù)量變異與結(jié)構(gòu)變異）模塊、染色體標(biāo)本制備技術(shù)模塊、染色體分析技術(shù)模塊（圖2）。

按照設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)有遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中原本分散獨(dú)立的細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)按照其所涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)整合形成3個(gè)教學(xué)模塊，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具備的條件進(jìn)行這3個(gè)模塊要素的自由組合，形成綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如：①基于45s rDNA-FISH的植物染色體組型分析;②結(jié)合C-顯帶技術(shù)和重復(fù)序列為探針的FISH識(shí)別植物的染色體;③基于FISH技術(shù)鑒定植物異附加系材料;④基于特異性重復(fù)序列探針鑒定植物異源多倍體材料。

3 ? ?細(xì)胞遺傳學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

開(kāi)展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織提出了更高的要求。因此，需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.1 ? ?做好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生提前做好資料收集、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。因此，教師一般需要提前2周以上向?qū)W生布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)。一些實(shí)驗(yàn)材料需要準(zhǔn)備的時(shí)間很長(zhǎng)（例如遠(yuǎn)緣雜交及回交），只能由任課教師提前完成，但最好能向?qū)W生提供準(zhǔn)備過(guò)程的照片、視頻等，以使學(xué)生具備直觀的認(rèn)識(shí)。

3.2 ? ?發(fā)揮研究生的助教作用

綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)往往程序較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過(guò)程較長(zhǎng)，時(shí)間跨度較大，僅依靠課程課表上的時(shí)間往往無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)，而任課教師通常也無(wú)法抽出更多的額外時(shí)間全程陪同和指導(dǎo)。所以，發(fā)揮研究生助教的作用不失為恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。將學(xué)生分組并分配研究生作為助教，這樣既能使學(xué)生及時(shí)得到指導(dǎo)，另一方面研究生也得到鍛煉，完成了其培養(yǎng)方案中的教學(xué)實(shí)踐工作。

3.3 ? ?科研反哺教學(xué)

開(kāi)展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器設(shè)備要求較高。部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備，尤其是一些大型貴重儀器設(shè)備，本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室可能不具備。國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研平臺(tái)的儀器設(shè)備往往較為先進(jìn)、齊備，是解決教學(xué)儀器不足的途徑。只要管理得當(dāng)，不對(duì)科研造成阻礙，可更大程度地發(fā)揮科研儀器設(shè)備的價(jià)值。此外，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，可以引導(dǎo)學(xué)生在教師科研項(xiàng)目框架內(nèi)開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在此過(guò)程中獲得的具有理論創(chuàng)新或應(yīng)用價(jià)值的成果可以鼓勵(lì)學(xué)生撰寫(xiě)并公開(kāi)發(fā)表論文，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研相互促進(jìn)。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)是森林資源類(lèi)、植物生產(chǎn)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)典、特色內(nèi)容，在遺傳學(xué)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中具有重要價(jià)值，因而細(xì)胞遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須重視。在總實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限的條件下，建議優(yōu)先保證由染色體誘變、染色體標(biāo)本制備、染色體分析三大模塊構(gòu)成的細(xì)胞遺傳學(xué)核心實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。各高校根據(jù)自身教學(xué)與科研平臺(tái)情況、科研領(lǐng)域等開(kāi)展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料共享、教學(xué)案例報(bào)道等，將進(jìn)一步推進(jìn)國(guó)內(nèi)遺傳學(xué)教學(xué)質(zhì)量提升，促進(jìn)高素質(zhì)生命科學(xué)人才的培養(yǎng)。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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