在生物學拔尖人才實驗教學中推廣模式生物斑馬魚

解麗芳， 林宏輝

(四川大學 生命科學學院 生物科學實驗教學中心, 四川 成都 610065)

0 引 言

2010 年3 月， 國家教育部啟動基于基礎學科拔尖創新人才的“國家拔尖人才培養計劃”，并率先在清華大學、北京大學、四川大學等全國11所高校試點。我校根據自己的學科優勢，將生物作為學科率先試點之一。每年選拔15～20名學生進入拔尖人才班，并使用淘汰制，對學生進行動態化管理。

針對拔尖班學生的培養，除了學院配備高水平專家、學者以及允許學生進入國家重點實驗室、國外學習外。我中心作為對拔尖班學生進行基本技能培訓的重要基地，根據自己實驗設備條件，并綜合考慮拔尖人才培養需要，設立了專門的模式生物實驗室，將模式生物-斑馬魚引入中心。旨在通過借助拔尖人才培養的契機，開拓本科實驗教學新領域，并將拔尖人才培養獲得的經驗推廣應用至全體本科生培養。

1 實驗教學中推廣斑馬魚的可行性

斑馬魚作為生命科學研究中最重要的脊椎動物模式生物之一，在多門學科中得到廣泛應用，并不斷涌現新的研究成果[1-2]。為滿足創新人才培養需要，我中心將斑馬魚引入本科實驗教學當中，那么將這種模式生物引入本科生物實驗教學當中是否可行呢？

1.1 斑馬魚的優點及研究現狀

斑馬魚作為一種新興的模式生物，屬于脊椎動物，與人類基因有85%相似，因其具有繁殖周期短、易于飼養、產卵量大、胚胎透明、體外發育速度快、實驗體系比較完善、精子可以冷凍保存等優點[3-5]，斑馬魚已經成為模式生物家族中重要的一員,受到越來越多的重視和利用。目前斑馬魚被廣泛應用于發育生物學、人類疾病研究、神經科學、遺傳學、 腫瘤學、藥物學、毒理與環保等方面的研究中[6-8]。

隨著斑馬魚技術的日趨成熟，國內也建立了多個斑馬魚實驗室，目前我國已有250個以上的實驗室利用斑馬魚開展有關科研工作，并且成立了“國家重大科學研究計劃斑馬魚資源中心”[9]。

1.2 擁有完善的數據庫平臺

隨著斑馬魚研究技術日益成熟，逐步建立起來了非常完善的斑馬魚數據庫，常用的有：① 斑馬魚模式物種綜合數據庫ZFIN，是斑馬魚的核心數據庫。收集的信息主要可分為斑馬魚基因信息、相關資源、基因組圖譜和作圖相關信息、研究工作信息、組織結構的解剖學定義、品系和基因命名規范等工作，是斑馬魚研究工作者最主要的信息平臺。② 基因組注釋數據庫Ensembl,該數據庫是由歐洲生物信息研究所和英國sanger研究所共同維護的一個脊椎動物基因組自動注釋平臺，斑馬魚是其三大核心物種之一。③ 其他斑馬魚常用的物種通用數據庫包括Vega 、UCSC Genome Browser、核酸數據庫GenBank / EMBL /DDBJ、蛋白數據庫UniProt等[10-12]。

1.3 利用已有條件，快速建立斑馬魚實驗室

建立斑馬魚實驗室所需的儀器設備，如：PCR儀、高速低溫離心機、超低溫冰箱(-80℃)、凝膠成像系統、紫外分光光度儀、熒光倒置顯微鏡等在一般的本科生物教學實驗室都具備，因此只需在此基礎上購置斑馬魚養殖系統，或者直接自制簡易的斑馬魚養殖系統，就可以建設完善的本科生斑馬魚創新實驗室。

1.4 開設適合本科生學習的綜合性、創新性實驗項目

斑馬魚相關實驗項目，例如：基因過表達，基因敲除、原位雜交、時間表達譜建立等實驗項目均非常適合在本科生中開設，這些實驗項目涉及斑馬魚飼養、斑馬魚繁殖、分子克隆、無RNA酶(RNAase)操作等實驗技術。可以很好地鍛煉學生的綜合能力及創新能力。

2 我中心開展斑馬魚相關實驗的情況

我中心在人才培養過程中，注重對學生創新意識、創新精神、創新能力、團隊協作等多方面素質的培養。因此在實驗項目選擇過程中，更注重實驗的綜合性、創新性，并兼顧可行性。作為一種模式生物，雖然斑馬魚在科研領域的應用已非常廣泛，但是在本科教學中的應用還相對較少。為了更好的滿足我中心對創新人才培養的需求，同時考慮到斑馬魚在養殖和研究方面的優勢，在中心原有實驗設備的基礎上，我們建立了一個小型的斑馬魚實驗室。在實驗室建設完成之后，我們根據自身的實驗條件以及課程設置情況，面向拔尖班學生開設了斑馬魚相關的實驗項目。這些實驗項目均符合創新性、綜合性的要求。以下就對這些實驗項目作一些簡單的介紹：

2.1 斑馬魚養殖與繁殖

斑馬魚作為一種模式生物，養殖條件簡單，繁殖速度快，是它最主要的兩大優勢，這也是我們將斑馬魚引入本科實驗教學中的主要原因。為了加深學生對斑馬魚的認識和了解，同時也為了鍛煉學生的自我動手能力。我們一改往日教師為學生準備實驗材料的教學方法，要求學生自己對斑馬魚進行養殖，對斑馬魚從產卵開始一直到發育到成魚的整個過程進行追蹤。通過這個過程的學習，一方面學生可以掌握斑馬魚養殖技術，了解斑馬魚胚胎各個發育時期的特點，同時也能夠鍛煉學生的自主動手能力，為學生以后獨立進行科研工作奠定基礎。

2.2 斑馬魚發育相關基因原位雜交實驗

原位雜交技術是斑馬魚基因功能研究中一種常見的實驗方法，該方法主要包括：PCR擴增，克隆完整的開放閱讀框架；瓊脂糖凝膠電泳及擴增片斷的膠回收；感受態細胞的制備及T-A克隆；體外轉錄合成探針；原位雜交等多個實驗步驟。通過該實驗，學生可以了解和掌握分子克隆、體外轉錄、細菌接種、細菌傳代、RNA free操作技術等實驗方法。通過這個實驗項目的學習，可以很好地培養學生的科學思維方式，激發學生學習的積極性和主動性[13]。

2.3 斑馬魚發育相關基因時間表達譜構建實驗

斑馬魚發育相關基因時間表達譜構建實驗，在科研活動中經常與斑馬魚發育相關基因原位雜交實驗同時使用，通過這兩種實驗技術的相輔相成，可以快速獲取未知基因時空表達譜，了解目的基因的表達是否具有組織特異性，從而推測基因可能的功能[14-15]。

該實驗主要涉及：發育相關基因引物設計；PCR擴增，克隆完整的開放閱讀框架；瓊脂糖凝膠電泳及擴增片斷的膠回收；感受態細胞的制備及T-A克隆；斑馬魚早期發育各時期胚胎收集；各發育時期胚胎總RNA提取；用RT-PCR檢測不同時期的基因表達水平；瓊脂糖凝膠電泳顯示結果等步驟。通過該實驗項目的學習，學生可以掌握引物設計、分子克隆、細菌接種、細菌傳代、總RNA提取、RT-PCR、RNA free操作技術等實驗方法。該實驗項目在學生中開設之后，取得了很好的教學效果。

2.4 TGF-β對斑馬魚胚胎發育的影響

該實驗利用小分子化合物SB-431542可以對Nodal信號的Ⅰ受體發揮阻斷作用的特性，收集不同發育時期的胚胎，用SB-431542進行處理，阻斷Nodal信號轉導，使胚胎出現類似突變體MZoep或Zoep的表型，觀察Nodal信號通路對中胚層發育的影響，使學生了解細胞信號通路在細胞分化和胚胎發育中的重要作用。

該實驗項目主要涉及斑馬魚繁殖、不同發育時期胚胎收集、SB- 431542處理各發育時期細胞、顯微觀察等過程。在我中心以往的教學過程中，沒有開設有關信號通路的實驗項目，學生對信號通路的了解更多地是一種空洞的想象，通過這個實驗項目的開設，可以使學生更直觀了解信號通路的相關知識。

3 結 語

斑馬魚作為發育生物學的重要模式生物之一，因其多方面的優點，在科學研究中受到越來越多的關注。并且由于其作為一種脊椎動物，與人類基因具有高度同源性，更是增加了科研工作者對其的研究熱情，以斑馬魚為材料的研究成果越來越多，并因此加深了對脊椎動物發育機制的認識。

我中心響應教育部號召，重視人才創新精神、創新意識、創新精神、創新能力、團隊協作等多方面素質的培養。考慮到中心的設備與人員優勢，將斑馬魚這種熱門的模式生物引入了本科拔尖人才實驗教學中，并設置了一系列以斑馬魚為研究對象的創新性、綜合性實驗項目。在為拔尖班學生開設過程中，拓展了學生的知識面，使學生了解了以前沒有接觸過的實驗材料和實驗技術，對學生創新能力、自主能力、協作能力起到了很好的培養效果。

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