“基因組學(xué)前沿專題”課程研究生教學(xué)模式探析

[摘 要] 隨著DNA測序技術(shù)的快速發(fā)展，以基因組為代表的組學(xué)技術(shù)在農(nóng)林類院校生物學(xué)相關(guān)的研究中越來越受到重視，逐漸成為必備的研究方法和手段。然而，目前直接從事相關(guān)研究的大部分研究生一般具有生物學(xué)背景，缺乏與組學(xué)相關(guān)的背景知識和思維方式，導(dǎo)致組學(xué)技術(shù)的推廣與應(yīng)用受到較大限制。研究生公選課程“基因組學(xué)前沿專題”旨在為具有生物學(xué)背景的低年級碩士、博士研究生提供以基因組學(xué)為中心的多組學(xué)的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用場景以及分析技術(shù)原理等，幫助學(xué)生快速建立組學(xué)相關(guān)的研究意識，促進(jìn)組學(xué)的理念和技術(shù)服務(wù)于后續(xù)的研究課題。在本課程中，通過課堂教學(xué)和討論報告相結(jié)合的方式，可增進(jìn)學(xué)生和教師之間的交流，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，加強學(xué)生對基因組學(xué)相關(guān)原理和分析方法的了解，并將其作為一種手段和方法，促進(jìn)適用于農(nóng)林類生物學(xué)的研究，滿足現(xiàn)代社會對創(chuàng)新型人才的需求。

[關(guān)鍵詞] 基因組學(xué);教學(xué)模式;討論報告;農(nóng)林類院校

[基金項目] 2021年度華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生培養(yǎng)條件建設(shè)項目“與時俱進(jìn)建設(shè)‘基因組學(xué)前沿專題’課程”

[作者簡介] 鄭金水（1982—），男，湖北麻城人，博士，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院副教授，主要從事生物信息學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）16-0145-04 [收稿日期] 2021-08-30

基因組學(xué)主要以生物體所有的遺傳物質(zhì)為研究對象，研究其演化、結(jié)構(gòu)、功能、編輯等以及如何與表型相關(guān)聯(lián)。隨著人類基因組計劃的完成，DNA高通量測序技術(shù)得到快速發(fā)展，越來越多的模式生物基因組測序工作逐漸完成，生物學(xué)的研究進(jìn)入后基因組時代。這也使分子生物學(xué)中基因的研究從“單個”進(jìn)入“整體”，即從生物體整體的觀念研究全部遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能[1]。

基因組學(xué)的理念和方法已經(jīng)被應(yīng)用到生命科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，并且相互融合、相互促進(jìn)。同時，以基因組學(xué)為起點的其他組學(xué)（表觀組、轉(zhuǎn)錄組、宏基因組等）也快速發(fā)展，極大地推動生命科學(xué)的跨越式發(fā)展。群體基因組、3D基因組、功能基因組、表觀基因組與宏基因組學(xué)等新手段給人類對于表型與基因型的關(guān)系、變異與疾病的聯(lián)系等帶來一系列全新的認(rèn)識?；蚪M學(xué)不僅在人類疾病預(yù)測、新型藥物開發(fā)、精準(zhǔn)醫(yī)療等方面發(fā)揮重大作用，也在農(nóng)作物改良育種、病蟲害防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面起到越來越重要的作用。

在農(nóng)林院校，涉及以生物為對象的科學(xué)與應(yīng)用研究中，基因組學(xué)已經(jīng)成為必備的研究手段之一。然而，大部分直接從事研究工作的研究生一般具有較好的生物學(xué)背景，卻缺乏基本的組學(xué)相關(guān)的理念與技能?！盎蚪M學(xué)前沿專題”從基因組學(xué)概念、測序技術(shù)原理、分析手段的算法基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合具體實例，帶領(lǐng)低年級研究生深入認(rèn)識基因組學(xué)的基本理念和方法，了解基因組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用場景以及如何與農(nóng)林類科學(xué)研究相結(jié)合。作為一門快速發(fā)展的前沿交叉學(xué)科，其覆蓋內(nèi)容廣泛、概念多、難度大，同時與其他學(xué)科逐漸有更多的交叉融合。這就要求授課者根據(jù)學(xué)生情況做好課程設(shè)計，在授課過程中將復(fù)雜問題簡單化，將抽象問題具體化，深入淺出地將系統(tǒng)知識傳授給學(xué)生[2]。

我們自2017年開課以來，累計選課人數(shù)接近200人，授課效果良好。本文將農(nóng)林類院校教學(xué)現(xiàn)狀和課堂過程中的實踐相結(jié)合，從“基因組學(xué)前沿專題”課程概述、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置及考核方式等方面的研究生教學(xué)模式探索進(jìn)行分析，提出教學(xué)創(chuàng)新之處，拓展學(xué)生對基因組學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐的能力。

一、“基因組學(xué)前沿專題”課程概述

基因組學(xué)涉及許多抽象的概念和多生物學(xué)學(xué)科交叉，使得目前一些院校與基因組學(xué)相關(guān)課程的開設(shè)有一定的難度。對基因組學(xué)知識的學(xué)習(xí)，既需要將學(xué)生前期具備的比較零散的遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)等生物學(xué)知識進(jìn)行系統(tǒng)性地整合，又必須將這些系統(tǒng)知識逐步引入組學(xué)范圍，進(jìn)而強化對基因組學(xué)的理解。同時，因為基因組學(xué)前沿性很強，很難統(tǒng)一課堂教材，給課堂上教師的授課也帶來了一定的難度。許多農(nóng)林類院校的大多數(shù)基因組學(xué)相關(guān)課程，大半篇幅實際是遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的內(nèi)容。此外，大部分農(nóng)林類院校生命科學(xué)類專業(yè)的研究生具有生物學(xué)知識學(xué)習(xí)背景，但缺少組學(xué)相關(guān)背景知識和思維方式，給以組學(xué)為手段的相關(guān)課題研究帶來一定的挑戰(zhàn)[3]。

本課程授課對象為全校生物類碩士、博士研究生，教師授課部分主要以基因?qū)W概述以及DNA測序技術(shù)為起點，介紹基因組學(xué)的基本理論;參照各大主流期刊（Nature Genetics、Nature Biotechnol-ogy、Genome Research等）發(fā)表的相關(guān)成果，介紹基因組學(xué)中普遍使用的分析流程和方法，著重解釋算法原理，加強學(xué)生對基因組學(xué)技術(shù)原理和方法的了解，以便將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，促進(jìn)科學(xué)理論研究。文獻(xiàn)分享部分，學(xué)生根據(jù)自身研究方向或興趣，在教師指定的文獻(xiàn)庫或話題范圍中廣泛瀏覽文獻(xiàn)，選擇報告話題、進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀和匯報，并組織教師和學(xué)生討論相關(guān)話題。在以往的教學(xué)模式中，教師的講述往往占課堂總時間的90%以上，而基因組學(xué)這樣的前沿交叉學(xué)科更需要新的教學(xué)內(nèi)容、更加多元的教學(xué)方式。我們采用課堂講授和小組討論報告相結(jié)合的形式，將教師課堂講授的時間降低至60%以下，充分發(fā)揮學(xué)生主體的主觀能動性，將“教”與“學(xué)”相平衡，從而提高“基因組學(xué)前沿專題”課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)的能力[4]。

二、教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

“基因組學(xué)前沿專題”的教學(xué)內(nèi)容分為教師講述和學(xué)生文獻(xiàn)分享與討論兩個部分。第一部分內(nèi)容包括基因組學(xué)概況、DNA測序技術(shù)、基因組學(xué)研究方法、微生物組學(xué)進(jìn)展。第二部分主要圍繞基因組學(xué)近期熱點進(jìn)展進(jìn)行討論。本課程為2學(xué)分的研究生課程，共32學(xué)時。在上述兩部分中，前者內(nèi)容占18學(xué)時，后者占14學(xué)時。

（一）基因組學(xué)概況

基因組學(xué)涉及的概念多、難度大，本章旨在引導(dǎo)學(xué)生全面認(rèn)識基因組學(xué)的基本概念。本章授課內(nèi)容主要分三個層次：（1）從基因組學(xué)基本概念入手，重點講述基因組學(xué)與基礎(chǔ)生物學(xué)之間的聯(lián)系與區(qū)別，然后講述由分子生物學(xué)向基因組學(xué)過渡的歷史必然性;（2）以模式微生物、模式動物、模式植物到人類基因組計劃為載體介紹基因組學(xué)的發(fā)展歷史;（3）介紹基因組學(xué)的主要研究內(nèi)容，以及后基因組學(xué)時代以基因組學(xué)為起點的其他組學(xué)的最新進(jìn)展。

（二）DNA測序技術(shù)

DNA測序技術(shù)是基因組學(xué)研究的基礎(chǔ)，理解測序技術(shù)的原理和方法對充分掌握基因組學(xué)的研究理念和分析技術(shù)原理至關(guān)重要。根據(jù)測序技術(shù)發(fā)展歷程，本章主要講述四部分內(nèi)容：（1）第一代DNA測序技術(shù)，重點講述Sanger測序的基本思想和測序方法改進(jìn)背后的理論基礎(chǔ);（2）第二代測序，在簡介二代DNA測序技術(shù)發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，重點介紹454測序技術(shù)、Illumina測序技術(shù)以及DNA納米球測序技術(shù)的測序原理;（3）第三代測序技術(shù)，主要介紹PacBio SMRT和納米孔測序的基本原理;（4）現(xiàn)代測序技術(shù)不同平臺之間的優(yōu)劣勢比較，以及應(yīng)用場景分析與比較。

（三）基因組學(xué)研究方法

本章主要介紹基因組學(xué)研究中的基本分析流程，重點講解關(guān)鍵分析步驟涉及的基本原理和方法，注重講述根據(jù)不同科學(xué)目標(biāo)設(shè)計不同的分析框架，選擇不同的分析方法。主要內(nèi)容包括：（1）來自不同DNA測序平臺下機數(shù)據(jù)的處理;（2）序列組裝，包括根據(jù)不同物種設(shè)計的不同測序策略下的多種組裝方式的原理與方法;（3）基因組注釋，主要涉及真核生物、原核生物的基因結(jié)構(gòu)注釋和功能注釋;（4）變異位點分析，針對真核生物和原核生物基因組的不同特點，分別介紹一般的設(shè)計與分析策略和方法;（5）比較基因組學(xué)，分別針對原核生物和真核生物，講述比較分析的基本概念和分析流程。

本章主要力爭使得學(xué)生能夠理解基因組研究的基本思想和一般方法，因此在課程設(shè)計上，重點介紹常見分析流程和軟件在生物學(xué)方面的應(yīng)用原理，并通過組織農(nóng)林類生物學(xué)基因組分析的實例，以及少數(shù)明星開源軟件工具的使用方法，對基因組學(xué)為代表的組學(xué)分析方法原理做詳盡的介紹。

（四）微生物組學(xué)進(jìn)展

由于近年來微生物學(xué)研究快速發(fā)展，許多傳統(tǒng)生物學(xué)科已經(jīng)迅速與微生物組學(xué)交叉，本章將針對這個熱點重點講述微生物學(xué)研究的基本思想和方法。本章從微生物組學(xué)研究實例出發(fā)，主要內(nèi)容包括：（1）微生物學(xué)的概念，主要講述微生物組學(xué)的定義、與宏基因組學(xué)的聯(lián)系與區(qū)別以及關(guān)鍵研究進(jìn)展;（2）基于16S rDNA擴(kuò)增子測序的微生物群體多樣性，講述主要的研究思路、一般的實驗方法以及常見的數(shù)據(jù)分析流程等;（3）宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組，主要講述宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組的基本概念、實驗手段、常見的分析手段，以及與基于16S rDNA擴(kuò)增子分析的聯(lián)系與區(qū)別;（4）微生物組生物工程，主要講述目前通過多種手段改造微生物群落結(jié)構(gòu)，影響其功能，進(jìn)而影響宿主與環(huán)境的健康狀態(tài)等。

（五）基因組學(xué)近期熱點進(jìn)展討論

基因組學(xué)研究內(nèi)容廣泛，是生命科學(xué)的前沿學(xué)科和交叉學(xué)科，學(xué)習(xí)本課程的主要目的是促進(jìn)學(xué)生在以后的研究工作中充分發(fā)揮組學(xué)研究手段的優(yōu)勢，推動科研活動更加全面進(jìn)行。經(jīng)過前一部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生對于基因組學(xué)的基本理論和基本方法有了比較全面的認(rèn)識，本部分重點引導(dǎo)學(xué)生通過關(guān)鍵文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)以及與教師和學(xué)生的充分交流，進(jìn)一步加深對基因組學(xué)研究理念的認(rèn)識，理解基因組學(xué)有關(guān)的實驗設(shè)計、所學(xué)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)分析流程。

“基因組學(xué)前沿專題”的教學(xué)強調(diào)對課程內(nèi)容和目前熱點話題的活學(xué)活用、靈活討論，僅靠課堂講授是不能達(dá)到的，需要采用不同于以往的方式，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，并且學(xué)以致用[5，6]。因此，本課程在教學(xué)中設(shè)計討論報告的形式，根據(jù)本領(lǐng)域最新研究進(jìn)展，結(jié)合農(nóng)林類相關(guān)院校的研究重點，提供了6種主題，包括植物基因組進(jìn)展、動物基因組進(jìn)展、微生物基因組進(jìn)展、單細(xì)胞測序技術(shù)熱點、微生物組與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、人類健康等。

基于教學(xué)效果考慮，本課程限選課人數(shù)為65人。學(xué)生主要來自信息學(xué)院、植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動科動醫(yī)學(xué)院、園藝林學(xué)學(xué)院、食品科學(xué)學(xué)院。根據(jù)所從事研究課題的背景和個人興趣，選課學(xué)生自由組合，每組3～4人，共計20余小組。每個小組參考教師所提供的基因組學(xué)熱點話題和候選文獻(xiàn)庫，通過查閱文獻(xiàn)和背景資料，確定自己小組感興趣的話題自學(xué)和討論，每個小組內(nèi)的具體分工及合作方式由小組自行決定。最終每個小組由一位成員進(jìn)行15分鐘左右的PPT展示匯報，組內(nèi)其余學(xué)生可對報告內(nèi)容進(jìn)行補充，再由其他學(xué)生點評或者提問，該小組所有學(xué)生參與討論。通過這種方式，反復(fù)閱讀選擇的相關(guān)內(nèi)容文獻(xiàn)，學(xué)生之間積極討論，能夠理解其中科學(xué)的思維方法、實驗設(shè)計思路和實驗方法細(xì)節(jié)，融會貫通前沿學(xué)科知識，培養(yǎng)自己的科研思維能力，對當(dāng)前基因組學(xué)研究中比較前沿的熱點內(nèi)容有更加深刻的認(rèn)識。

三、考核方式

在本課程中，課堂平時成績占總成績的40%，主要是課堂出勤、上課表現(xiàn)、與教師互動等多方面的考查，鼓勵學(xué)生多提問、多交流，形成良好的師生互動，加深理解。討論報告成績占30%，包括PPT講解演示成績、小組討論中的表現(xiàn)、演示結(jié)束解答疑惑的狀態(tài)，考查學(xué)生及其小組對所選主題的理解，組內(nèi)是否充分討論了感興趣的熱點話題。最后，課程論文成績占30%，每位學(xué)生根據(jù)課堂講授選擇其他自己感興趣的基因組學(xué)研究內(nèi)容、研究手段、分析方法等主題，總結(jié)一份1000字以上的課程論文，以此考查學(xué)生對課程重點內(nèi)容的理解。綜合多種考核方式，增強研究生對基因組學(xué)的理解和組學(xué)相關(guān)思維方式，促進(jìn)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而促進(jìn)組學(xué)相關(guān)方面的科學(xué)研究。

基因組學(xué)如今已經(jīng)逐漸滲透到生命科學(xué)的各個領(lǐng)域，對農(nóng)林類院校的生命科學(xué)專業(yè)研究來說更是如此，推動了生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。本課程采用課堂講授和討論報告相結(jié)合的方式，多方位闡述了基因組學(xué)的理念、基本概念、研究領(lǐng)域和核心技術(shù)，特別是基因組學(xué)對農(nóng)林類生命科學(xué)和生物技術(shù)的貢獻(xiàn)。

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[6]張擎，鄭凌伶.基于整合互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢資源的基因組學(xué)課程教學(xué)新模式[J].教育教學(xué)論壇，2020，565（46）：156-158.

Abstract： With the rapid development of DNA sequencing technology， the omics technology represented by genomics has attracted more and more attention in biology-related research in agricultural and forestry universities， and has gradually become a necessary research method. However， at present， most postgraduates directly engaged in related research generally have biological background and lack of background knowledge and thinking mode related to omics， resulting in great restrictions on the promotion and application of omics technology. The public elective course of Current Topics on Genomics for postgraduates aims at providing junior masters and doctoral students with biological background with the theoretical basis， the application scenarios and the analytical technology principles of genomics centered multi-omics， helping students quickly establish research awareness related to omics， and promoting the idea and technology of omics to serve subsequent research topics. In this course， through the combination of classroom teaching and discussion report， we can enhance the communication between students and teachers， stimulate students' learning enthusiasm and initiative， strengthen students' understanding of related principles and analytical methods of genomics， and use them as a means and method to promote the research applicable to agricultural and forestry biology， so as to meet the needs of modern society for innovative talents.

Key words： Genomics; teaching model; discussion report; agricultural and forestry universities