生物技術專業(yè)特色實驗材料的篩選與應用

王彥芹，郭 媛，韋曉薇

（塔里木大學 生命科學與技術學院，新疆 阿拉爾 843300）

一、實驗材料的重要性

隨著我國生物種質資源普查的全面開展，摸清種質資源的分布特點、發(fā)育特性，建立種質資源實體庫和信息庫，對保障國家食物安全、促進資源有效保護和高效利用具有重要意義。本科生實驗課程結果的正確性不僅會激發(fā)學生學習的積極性和自覺性，還會激發(fā)學生開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、參加學科競賽的興趣，進而提升學生的就業(yè)競爭力，或堅定其進一步深造從事科學研究造福社會的職業(yè)理想。成功的實驗課程離不開適合的種質資源的選擇或實驗材料的選擇。

二、實驗材料選擇的原則

（一）所選的實驗材料易于操作

生物技術專業(yè)實驗課程所用的材料，首先要易于操作，即讓學生敢于動手。如對于以植物為材料、需要研磨的實驗，一般選用幼嫩的莖或葉；一些要提取次生代謝產(chǎn)物的則往往需要已經(jīng)木質化了的莖或根，這種情況要先用粉碎機破碎成盡可能小的粉末，再過篩收集更細小的材料。對于動物材料，如果沒有特殊需求，往往選擇日常生活中常見的小型動物，讓絕大部分學生可以動手操作，不會因害怕而產(chǎn)生抵制情緒。對于微生物材料，往往使用普通培養(yǎng)基易于培養(yǎng)的菌株，并且所選菌株應該是不能感染人、不能造成環(huán)境污染的安全的菌株。

（二）所選的實驗材料要保證安全、易于獲得、成本低

在實驗操作過程中，對于植物材料，可以從校園、城市綠化區(qū)、附近實習基地或周邊農(nóng)田采集，也可以在室內(nèi)提前人工種植，還可以從市場購買，如瓜果蔬菜等；對于動物材料，一般從市場購買經(jīng)過檢疫的安全材料，或者選擇指導養(yǎng)殖場養(yǎng)殖的安全動物，以保證操作者的人身健康；對于微生物，往往選用工程菌株，其特點是安全、易于培養(yǎng)且成本低?？傊?，對實驗材料選擇的第二個原則是保證安全、易于獲得、成本低。

（三）實驗材料的選擇要盡量體現(xiàn)區(qū)域性特點

一所大學所處的地域不僅影響該所大學人才培養(yǎng)目標的定位，還為大學的發(fā)展提供了多方位多層次的導向和平臺、場所、環(huán)境等支持。相反地，大學的科學研究和社會影響，也為該地區(qū)在各行各業(yè)所遇到的問題提供了相應的解決方案和措施。因此，實驗材料的選擇盡量能體現(xiàn)區(qū)域特色與優(yōu)勢，這不僅能讓學生了解當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境特點、生物資源特色，還能使學生建立對學校和所在地區(qū)的感情，促進學生培養(yǎng)改善生態(tài)環(huán)境意識、發(fā)掘利用特有生物資源的興趣與信心，同時將愛護環(huán)境、保護生態(tài)的課程思政元素自然而然地引入實踐教學，具有積極的作用。

三、生物技術核心實驗課程與特色課程實驗材料的篩選及融合

（一）“生物化學實驗”與“生物技術制藥”課程的實驗材料篩選及融合

“生物化學實驗”是生物技術專業(yè)重要的學科基礎實驗課程，也是學生在個體水平認識植物、動物、微生物后，了解生物化學的重要課程。實驗一般從生物體內(nèi)分離糖類、核酸、蛋白質、維生素C等物質，并分析其含量。由于我校地處新疆南部，關于糖類的分離提取和測定，往往選用本地水果，如溫宿縣的冰糖心蘋果、阿拉爾市的灰棗、哈密市的甜瓜。通過橫向比較不同瓜果中糖分的含量，分析高含糖的原因。除了以上常規(guī)實驗外，還設置了植物黃酮、生物堿等物質的分離提取及含量比較分析。在此實驗中，常常采集塔克拉瑪干沙漠中豆科植物新疆甘草、苦豆子的根、夾竹桃科植物白麻的根，提取并比較其中天然產(chǎn)物成分的多少，為醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)提供參考，也為學生未來的就業(yè)、創(chuàng)業(yè)提供思路。

（二）“植物學”“植物生理學”與“荒漠化治理”課程的實驗材料篩選及融合

塔里木大學位于塔里木盆地北部。盆地北起天山南麓山地，南至塔克拉瑪干沙漠北緣，屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，年降水量不足100 mm，年蒸發(fā)量（潛勢）在1 900 mm以上。土壤鹽堿含量高，夏季氣溫高，全年日照時數(shù)2 556.3～2 991.8 h，年平均氣溫8.9～11.4 ℃，夏季最高溫度45 ℃以上。正是這種典型的荒漠氣候孕育了典型的具有廣譜抗逆性的植物資源［1］。植物生理學實驗的主要培養(yǎng)目標是讓學生了解植物的物質代謝、生長發(fā)育、環(huán)境適應等規(guī)律與機理，調節(jié)與控制以及植物體內(nèi)外環(huán)境條件對其生命活動的影響。實驗內(nèi)容主要包括光合作用、植物組織水勢測定、葉綠素的測定、過氧化物保護酶的測定、調滲物等的提取與測定。一般選擇塔克拉瑪干沙漠干旱-高溫環(huán)境下的菊科植物花花柴、夾竹桃科植物白麻、茄科植物黑果枸杞、豆科植物駱駝刺等，干旱-鹽堿環(huán)境下的藜科植物鹽地堿蓬、鹽穗木、豬毛菜、鹽生草、鹽角草等荒漠植物，具有新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)支柱之稱的錦葵科植物陸地棉和海島棉，來測定過氧化物保護酶、調滲物，從而評價植物的抗逆性，同時，與特色平臺課程“荒漠化治理”相結合，為荒漠化治理、極端環(huán)境的生態(tài)恢復、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高質量農(nóng)田的改良提供基礎數(shù)據(jù)。讓學生了解塔里木盆地、塔克拉瑪干沙漠脆弱的生態(tài)環(huán)境及植物資源種類、新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)學生愛護環(huán)境、恢復生態(tài)的理念和信心。

（三）“生物信息學”與“基因工程”課程的實驗材料篩選及融合

生物信息學（Bioinformatics）是研究生物信息的采集、處理、存儲、傳播，分析和解釋等各方面的學科，也是隨著生命科學和計算機科學的迅猛發(fā)展，生命科學和計算機科學相結合形成的一門新學科。生物信息學通過綜合利用生物學、計算機科學和信息技術揭示大量而復雜的生物數(shù)據(jù)所賦有的生物學奧秘，是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一，也是21世紀自然科學的核心領域之一。其研究內(nèi)容主要包括基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學等系統(tǒng)生物學領域，即從核酸、蛋白質、代謝產(chǎn)物等出發(fā)，分析不同生物之間基因序列、蛋白質結構、代謝物種類和含量的差異，同一生物不同發(fā)育時期、不同組織器官中基因表達差異的生物信息。在該門課程的教學中，往往要選擇基因、蛋白質、天然產(chǎn)物等相關數(shù)據(jù)庫中具體的例子來分析。在數(shù)據(jù)選擇中往往會將荒漠環(huán)境下典型植物，如前文中提到的豆科植物、菊科植物、夾竹桃科植物、藜科植物來源的組學數(shù)據(jù)與模式植物，如擬南芥、煙草、水稻的信息進行比較。通過這些數(shù)據(jù)的檢索與文獻查閱，讓學生了解荒漠生物資源的珍貴與價值，也了解生物的分布與環(huán)境之間的關系，同時了解在生命科學快速發(fā)展的21世紀，依然有大量的種質資源未被開發(fā)利用。這也有利于培養(yǎng)學生追求真理的探索精神，解決問題的科研精神，以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

（四）“基因工程”實驗材料的篩選應用

21世紀是生物科學的世紀?！盎蚬こ獭笔抢梅肿由飳W的一般原理闡述在“分子生物學”實驗中所涉及的技術方法、原理和策略，是從事分子生物學研究的必修課程?！盎蚬こ獭闭n程承載了分子生物學所有的操作原理、技術及方法。在2020年之前，我?！盎蚬こ獭睂嶒炚n包含PCR技術克隆綠色熒光蛋白基因GFP，然后通過瓊脂糖電泳檢測、目的基因回收、構建載體、制備感受態(tài)并轉化、原核表達蛋白的提取及SDS-PAGE檢測、轉GFP基因的大腸桿菌的在熒光顯微鏡下的菌落觀察等。近年來，我們嘗試以微生物學科的教師分離或改造的來自塔里木盆地的產(chǎn)蒽酮霉素的放線菌為材料，通過發(fā)酵、誘導表達，分離提取蒽酮霉素并測定其含量。此外，還鼓勵學生在綜合性實驗中以阿拉爾棉花常見的黃萎病菌、梨樹常見的枝枯病菌、紅棗樹常見的火疫病菌為對象進行抑菌實驗，從而分析所提取化合物的功能及應用前景；直接利用所分離的極端環(huán)境微生物資源或通過“基因工程”改造的微生物進行抑菌實驗，發(fā)掘可用于生物防治的生物農(nóng)藥資源和生物肥料資源。這些微生物資源的發(fā)掘與利用、改良不僅為學生培養(yǎng)提供了本地化的實驗材料，也與專業(yè)課程的教學目標緊密結合，還將教師的科研成果融于教學，實現(xiàn)了科研反哺教學、教學—科研互促共進、共謀發(fā)展的創(chuàng)新型育人目標；同時，這些課程中實驗材料的選擇與開發(fā)將為荒漠環(huán)境下脆弱的生態(tài)環(huán)境的恢復、荒漠化治理、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高標準農(nóng)田的建設提供優(yōu)良的微生物資源，同時將教學與本地特色林果業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展需求相結合，體現(xiàn)大學的社會功能。

（五）“基因工程”實驗與“細胞工程”實驗課程的實驗材料篩選及融合

“基因工程”課程作為生物技術專業(yè)的核心專業(yè)課程，不僅與“發(fā)酵工程”“酶工程”緊密聯(lián)系，與“細胞工程”也密不可分，“基因工程”實驗和“細胞工程”實驗更是如此。無論是“基因工程”實驗還是“細胞工程”實驗，都需要植物再生這一關鍵步驟。在實驗中，我校以生長于塔克拉瑪干沙漠的植物花花柴為受體材料。花花柴又名胖姑娘、胖娃娃草，是菊科花花柴屬多年生草本植物，在我國主要分布于新疆的準噶爾盆地和塔里木盆地、青海的柴達木盆地、甘肅西北部和北部、內(nèi)蒙古西部等干旱、半干旱地區(qū)河谷沖積平原及沙質草甸鹽土環(huán)境?；ɑú袢~片扁平且明顯肉質化，體內(nèi)有發(fā)達的儲水組織，保水能力強；具有較低的萎蔫系數(shù)、較強的繁殖特性，葉片能積累大量游離脯氨酸等調滲物質以適應荒漠高溫干旱環(huán)境［2］。作為重要的防風固沙植物，花花柴具有耐鹽堿、耐干旱、耐高溫以及耐沙埋等特性，而且生物產(chǎn)量極高，生長較好時畝產(chǎn)可達鮮草1 532.2千克或干草422.9千克，是一種改善荒漠地區(qū)生態(tài)平衡的重要植物資源。在前期研究中，新疆大學的張富春教師團隊建立了花花柴高效再生體系。正因為具有耐鹽、耐高溫、耐干旱等廣譜抗逆性的優(yōu)點及已建立的再生體系，花花柴成為連接“基因工程”和“細胞工程”的特色實驗材料。

我校生物技術專業(yè)的“基因工程”和“細胞工程”課程同時開設。為了提高實驗效率和成功率，這兩門課程的主講教師通過協(xié)商，在開學第一周就帶領學生制備培養(yǎng)基、接種花花柴的無菌苗，培養(yǎng)至2個月左右，以花花柴葉作為外植體進行基因轉化，然后經(jīng)過脫分化誘導愈傷組織的形成，進而產(chǎn)生胚性愈傷，再分化形成芽和根，但由于此過程所需時間大約4個月，該實驗的后續(xù)結果要在下學期觀察。

隨著分子生物學的迅速發(fā)展，實驗內(nèi)容有了較大的改良，其中的驗證性實驗所占比例大大減少，而體現(xiàn)學生專業(yè)綜合能力的綜合型實驗、創(chuàng)新型實驗的比例大量增加。在“基因工程”實驗中，我校現(xiàn)在的思路完全和“分子生物學”的研究思路一致。即以荒漠植物為供體材料，提取幼嫩器官的總RNA，再通過RT-PCR克隆基因，基因的克隆根據(jù)學生的興趣和目標自行選擇，對所克隆的基因通過瓊脂糖電泳檢測、目的基因回收、T-A克隆并測序分析所克隆基因序列的結構，然后為克隆的與預期目標一致的基因構建載體、制備感受態(tài)并轉化、原核表達分析蛋白質分子量的大小。以上實驗主要在微生物中進行遺傳轉化。在真核生物轉基因模塊中，則是以花花柴為受體材料，通過構建植物超表達載體（over-expression vector）、用于植物的RNA干涉（RNA interference,RNAi）載體、用于植物的病毒介導的基因沉默（virus induced gene silencing,VIGS）載體來浸染植物外植體，最終獲得轉基因的陽性植株，再通過相應的處理，結合生理生化指標的測定、表型變化來分析基因的功能，從而為基因資源的應用提供研究基礎。

自2020年開始，在課程團隊教師和研究生的共同努力下，本實驗室克隆并構建了10余個荒漠植物抗逆相關基因的載體作為陽性對照，為本科生的“基因工程”實驗順利開展打下了堅實的基礎。通過該課程的操作，讓學生掌握“分子生物學”的研究思路和基本方法。允許有目標基因的學生選擇自己課題的實驗材料，克隆自己的目標基因，在完成實驗課的同時完成“大創(chuàng)”項目，甚至畢業(yè)論文的部分內(nèi)容。

四、未來對“生物技術實驗”課程材料的篩選展望

隨著生物技術的飛速發(fā)展、生物制造產(chǎn)業(yè)的興起和生物技術產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、商品化，生物技術已經(jīng)浸入農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、新藥研發(fā)等各個領域，形成了龐大且發(fā)展前景良好的生物制造產(chǎn)業(yè)。相應地，生物技術本科專業(yè)的發(fā)展及人才培養(yǎng)目標也將緊密地與社會需求、產(chǎn)業(yè)發(fā)展相融合，生物技術專業(yè)課程相關的實驗也將從現(xiàn)在的經(jīng)典驗證型逐漸過渡到應用型和創(chuàng)新型，同時，實驗材料的選擇也會有大的變革。比如，現(xiàn)在的“基因工程”實驗是教師帶領學生克隆單獨的基因，完成分子克隆技術的上游過程，可能在不久的將來，“基因工程”實驗課程將結合育種4.0版的分子設計育種克隆大片段的DNA，不僅要研究結構基因的功能，還要分析基因的調控表達。目前是在室內(nèi)開展研究，將來可能會利用植物工廠開展大規(guī)模的實驗探索；主要采用野生型的個體開展研究，將來可能會從轉基因材料中篩選相關的表型研究其生物學性狀。但無論如何變化，實驗材料的選擇、發(fā)掘利用都將是研究成果及應用前景的決定性因素，這與我國開展第三次新疆科考的目的和意義高度吻合，因此，培養(yǎng)學生認識種質資源的重要性、提高學生保護種質資源的責任感具有重要的意義。