生命科學與技術前沿中基因工程教學之我見

施海濤　方嬌　陳銀華

摘 要： 在現代生命科學與生物技術高速發展的背景下，針對高等教育農學與生命科學專業的必修課程生命科學與技術前沿中基因工程的教學現狀及學生們學習積極性不高的問題，作者所在單位通過集中各專業豐富教學和科研經驗的教授，結合自身教學實踐和在科研一線的經驗，對教學內容和教學方式進行了與時俱進的改革探索，取得了較好的教學效果，大大開闊了學生們的眼界和思路，提高了他們對生命科學的興趣。

關鍵詞： 生命科學與生物技術 課程改革 教學效果

21世紀，生命科學與技術已經成為世界科學前沿最活躍的學科之一，特別是其中的基因工程，代表和引領著科學發展的最新方向。隨著各種新理論、新概念、新技術和新方法的不斷涌現，部分生命科學與技術專業課程的設置和內容明顯落后于現代科學的發展，很多先進的技術方法和新理論不能及時地走進課堂，使學生們缺乏對高新技術發展對社會進步和日常生活影響的認識，影響了他們科學價值觀的形成。

筆者所在單位設置了生命科學與技術前沿中基因工程講座課，由具有豐富教學經驗和科研經驗的教授共同承擔，介紹各相關領域基因工程的基本原理方法、新理論、新概念、新技術、新方法和最新的研究進展等。通過該課程改革，取得了較好的教學效果，大大開闊了學生們的眼界和思路，也提高了他們對生命科學的興趣，培養了他們的科學思維和科學價值觀。

一、突出科學目標的教學內容

第一，選擇10余位具豐富教學經驗和科研經驗的教授共同承擔課程，介紹各相關領域基因工程的10余個專題，涵蓋多方面的基本原理方法、新理論、新概念、新技術和最新的研究進展等，讓學生們了解各個研究方面，從而較早培養他們的研究興趣，有助于以后考研選擇研究方向。這些專題包括：現代生命科學百年之旅——現代生命科學大事件，人類腸道細菌相關的基因組學，植物抗病功能基因組學，人獸共患寄生蟲?。杭纳x-媒介生物-宿主的相互作用，植物磷素營養：原理與進展，植物鹽害及其抗鹽性機理，植物免疫受體研究，葡萄抗病分子機制，植物受體激酶的結構生物學研究，蛋白質泛素化及泛素化介導的激素信號，能源植物的研發現狀及其遺傳改良等。

第二，通過大量舉例向學生們介紹各方面的理論知識，采用圖片、動畫和小視頻等形式，同時將一些經典的科學發現過程和故事融入教學內容。

第三，強化教學內容的整體性、系統性和前沿性。在教學中兼顧各個研究領域，從形態分類到生理生化，從微觀到宏觀，從細胞水平到分子水平，從微生物、動植物到人類，從生物信息學到基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學，從而保證教學內容的完整性。要體現教學內容的系統性，包括基礎理論研究專題，基礎應用研究和應用開發研究。還要保證課程內容的前沿性，有助于向學生們展示研究結果和方向，也有助于學生們了解各個領域的動態發展前沿。

第四，在教學中注意基礎與前沿相結合、學術與現實接軌、理論與實驗相結合。下面我們就這些方面作詳細的探討。

二、基礎與前沿相結合

RNA干擾（RNAi，RNA interference），筆者從該技術的定義、反應過程、技術應用與最新發展介紹。RNAi是由雙鏈RNA所誘導產生的同源mRNA的降解現象，廣泛存在于動物、植物、真菌等生物中，往往使目標基因在轉錄后發生沉默。該現象在動物中被稱為RNA干擾，在植物中被稱為轉錄后的基因沉默。這一機制是一個非常保守的機制，一般被認為是在生物生長過程中與病毒作斗爭而長期保存下來的一個非常古老的機制。RNAi技術就是利用RNAi原理，人工的合成小RNA分子，或者利用一些載體的構建（由同時表達的同一基因序列sense RNA和antisense RNA所形成的雙鏈RNA）和轉化在體內形成特定的小RNA，造成已知的目的基因的沉默的技術，也被稱為轉錄后抑制。近來，在動物和植物中利用人工合成microRNA（artificial microRNA，amiRNA）的RNAi技術已成功，這一技術的原理是利用amiRNA替代特定的內源microRNA前體中的核心序列，隨后在體內形成特定的microRNA，進而抑制相應基因的表達。

CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是最新出現的一種由RNA指導的Cas9核酸酶對靶向基因進行編輯的技術。CRISPR/Cas9是細菌和古細菌為應對病毒和質粒不斷攻擊而演化而來的獲得性免疫防御機制。在這一系統中，crRNA（CRISPR-derived RNA）通過堿基配對與tracrRNA（trans-activating RNA）結合形成雙鏈RNA，此tracrRNA/crRNA二元復合體指導Cas9蛋白在crRNA引導序列靶定位點切斷雙鏈DNA。CRISPR/Cas9的優點是操作簡單，對基因組的效率高。需要對某一個靶位點編輯的時候，只需要表達相應的sgRNA即可，不需要對Cas9核酸酶進行改造。CRISPR-Cas系統已經成功作為一種工具，在動物和植物細胞中執行高效、高特異性的全基因組篩選，在增強靶標特異性方面取得了巨大的進步，為尋找人類健康和疾病相關的基因功能及作物產量與抗性相關的重要基因功能，帶來了無限的可能性。

三、學術與現實接軌

中國地大物博，有豐富的各類資源，那么農學方面呢？筆者在課堂中以日常中最常見的農作物水稻為例，說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基礎，亦是糧食生產發展的寶貴財富。中國是野生稻資源最豐富的國家，南起海南三亞，北至江西東鄉縣，東起臺灣省，西至云南省盈江縣都發現過野生稻?，F代栽培稻相對普通野生稻，丟失了大量優異基因，有抗病、蟲、雜草及抗逆基因，也有高效營養和高產優質基因。袁隆平先生選育的雜交稻繼承了普通野生稻的高產優質基因。

如何利用我國豐富的野生種質資源，特別是植物資源？（1）從某一物種的大量種質資源庫中篩選獲得品質優良和抗性較強的品種可以直接應用；（2）利用抗性差異較大的品種，通過關鍵位點的定位或全基因組關聯分析得出控制某些性狀的主效基因，進行功能驗證后通過分子設計改良間接應用；（3）利用差異較大的品種，通過各種組學的比較分析，分離鑒定并驗證這些差異表達基因或代謝物在這些性狀調控中的作用。

最后，筆者在課堂上與學生探討了轉基因的安全性問題，讓他們正確認識現代新興技術，并應用科學的思維態度正確應對各種流言。此外，一些不涉及食品安全的轉基因植物，更是容易得到絕大多數人的認可。比如：⑴花青素衍生物呈紅色，翠雀素衍生物呈藍色等。在黃酮類色素的生物合成途徑中，苯基苯乙烯酮合成酶（CHS）是一個關鍵酶。利用反義RNA技術可有效抑制矮牽?；▽僦参锛毎麅鹊腃HS基因表達，使轉基因植物花冠的顏色由野生型的紫紅色變成白色，并且對CHS基因表達抑制程度的差異可產生一系列中間類型的花色。（2）轉基因抗蟲棉的大規模產業化應用。昆蟲對農作物的危害極大，全世界每年因此損失數千億美元。目前對付昆蟲的主要武器仍是化學殺蟲劑，不但嚴重污染環境，而且誘使害蟲產生相應的抗性。將抗蟲基因導入棉花是植物基因工程的得意之筆，能避免化學殺蟲劑所造成的許多負面影響。目前，抗蟲作物已占全球轉基因作物的22%，用于構建抗蟲害轉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、幾丁質酶基因、蝎毒素、蜘蛛毒素基因等40多個，其中毒晶蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因和凝集素基因應用最廣泛。

四、理論與實驗相結合

近年來，隨著水稻全基因組測序工作的完成，水稻基因組研究目前已進入后基因組時代，反向遺傳學的研究策略必不可少，一些高效的生物學研究技術也被大量應用，如基因差異表達分析、基因標簽技術、基因的超量表達和RNA干擾等。那么農桿菌介導的水稻胚性愈傷轉化技術即水稻轉基因技術是怎么操作的呢？一方面，筆者講述了愈傷組織的培養、農桿菌轉化、抗性愈傷組織篩選及分化、生根成苗的整個實驗操作過程。另一方面，筆者讓學生們實地參觀了植物組培室中處于各個時期的水稻轉基因過程，并親身體驗了部分實驗操作過程，讓學生們了解到轉基因水稻是如何產生的。

在教學中提出問題，通過課程教學和學生閱讀相關資料解決問題。隨著基因組測序的完成，出現了大量的基因序列數據，勢必要求人們對這些基因進行功能鑒定。比如植物體內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的植株即功能增加植株，比較其與相應對照植株（野生型植株，功能喪失突變體）的差異，分析基因功能。

此外，在教學中還向學生介紹相關實驗的研究方法，比如植物對脅迫的抗性評價方法，包括脅迫下植物的生長情況與生物量、葉片損傷程度與葉綠素含量、光合作用效率、存活率、產量、快速卷葉、氣孔關閉、高水分利用率、厚角質層、滲透調節能力、耐脫水性、膜穩定性、根系生長及活力、K■/Na■比等。

五、課堂教學與課外興趣結合

傳統的課堂教學是各種教學的主要方式，它往往只是讓學生儲存知識的過程，通過教師的獨自灌輸，讓學生被動地接受和學習，往往邏輯思維能力低下。因此，在課堂教學過程中，需要調動學生的主動邏輯思維能力，主要通過設計一些學生感興趣、愿意主動進行思維的問題。本課程主要是生命科學與技術前沿介紹，在課堂教學之后，要求學生主動上網查閱相關資料，拓寬視野，對感興趣的領域進一步了解。同時，對一些很多學生都感興趣的專題展開分組討論，讓每位同學都暢所欲言，展示自己的觀點。在課程結束時，讓每位學生對自己感興趣的專題查閱相關資料，做一個5-10分鐘的PPT，在老師同學面前講解出來，并展開討論。

通過學習和借鑒不同老師和學科的現代教學理念，不斷改進了教學方式和課程考核方式，開闊了學生們的國際視野，啟發了本科生和研究生的科研思路，增強了他們的創新意識并進一步發展了他們的創新能力。同時，通過課程教學，可以培養一批具有較好的教學效果、較高教學水平、能夠參相關國際學術交流的中青年優秀骨干教師。

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[6]魏群.分子生物學實驗指導.北京：高等教育出版社，2007.

感謝海南省高等學?？茖W研究項目——教育教學改革研究項目（題目：基因工程海南省精品課程體系與教學內容整體優化研究，批準號：Hnjg2016-10）和海南大學教育教學研究課題立項項目（題目：基因工程海南省精品課程體系與教學內容整體優化研究，批準號：hdjy1601）的資助。