基于科研熱點情境的基因工程專題復習

浙江 張湘玲

基因工程在浙江選考卷中是每年選修3模塊的必考知識點，近幾年考查時常結合植物細胞工程和必修2中育種相關知識進行綜合考查，且開放性問題比例增加，此考點所占分值約10分，學生在答題時存在的普遍問題是不清楚問題的答案是什么，看到答案時又恍然大悟，都是平時會的知識點，但考試時卻無從下手。究其根本，是對基因工程流程的不熟悉。

基因工程從上世紀中葉開始發展，屬于現代生物技術的主流，對實驗室要求較高，絕大多數高中實驗室無法開展實驗，且浙科版舊教材對基因工程流程解析得不夠詳細，導致學生對實驗過程一知半解，做題時常答非所問。鑒于以上情況，教師可在復習時以袁隆平院士的海水稻(耐鹽堿水稻)培育情境為主線，結合浙科版新教材選擇性必修3《生物技術與工程》中基因工程的基本操作步驟、必修2中變異在育種方面的應用和選修3中植物克隆、植物細胞工程相關知識，引導學生深度學習，理解每個過程的目的、原理和操作方法，有效提高復習效率。

一、情境導入——海水稻(耐鹽堿水稻)研究背景介紹

耐鹽堿地植物是指能在鹽堿地環境下生長，對較高的鹽堿濃度有較好抗性(耐性)的植物，水稻屬于中度鹽敏感植物，常說的海水稻(耐鹽堿水稻)是指能在鹽堿濃度0.3%以上的鹽堿地生長，且單產可達300 kg/667 m2以上的水稻品種。水稻是沿海灘涂和鹽堿地改良的首選品種，如青島海水稻耐鹽堿性好，稻米的礦物質含量比普通稻米更高，又沒有普通稻米的病蟲害，是天然有機食品。所以研究海水稻(耐鹽堿水稻)的耐鹽機理，提高其耐鹽堿能力，培育耐鹽堿新品種并推廣應用，是保障我國糧食安全的重要舉措。

引出問題：有哪些方法可以培育海水稻？海水稻分別有哪些優缺點？

二、海水稻(耐鹽堿水稻)培育方法

1.常規育種

利用所學知識，先從必修2中變異的應用——常規育種開始，學生根據上述問題，小組合作歸納總結雜交育種、單倍體育種、誘變育種的原理、步驟、優點和缺點，具體見下表。

育種方法原理步驟優點缺點雜交育種基因重組野生型×耐鹽堿稻,得F1,F1自交得F2后,篩選優良性狀植株連續自交,直至不再出現性狀分離可將多個品種的優良性狀集中于一個親本,得到具雜種優勢的植株育種年限長、缺乏耐鹽堿的親本、水稻花型不易去雄、遠緣雜交不親和單倍體育種染色體畸變、基因重組野生型×耐鹽堿稻,得F1,F1花藥離體培養得單倍體幼苗,再經秋水仙素處理后得到穩定遺傳植株排除顯隱性干擾、明顯縮短育種年限技術要求高、操作復雜、水稻全能性不易表達、較難獲得再生植株誘變育種染色體畸變、基因突變利用輻射或者化學、生物誘變劑處理野生型水稻,再進行種植篩選可以提高突變頻率、加速育種進程、大幅度改良某些性狀有利變異少、需大量處理實驗材料、具有盲目性

教師引導學生深入分析知識點之間的聯系，通過比較各育種方法的適用情境，能針對日常生活中遇到的問題積極探索解決方式，從而培養學生的科學思維。從現代生物科技情境入手，能更好地引導學生關注時事、了解生物高科技、培養學科興趣。

由常規育種存在遠緣雜交不親和、缺乏耐鹽堿的水稻親本、水稻花型難以雜交等缺點，引出可利用基因工程法培育耐鹽堿水稻，將耐鹽堿的目的基因利用載體導入普通水稻，從而定向改變水稻性狀。

2.基因工程育種

植物轉基因技術中運用最廣泛的是農桿菌轉化法，復習時可從農桿菌轉化法的步驟詳解和優化入手，引導學生自主構建基礎流程圖，并探討實驗中可能出現的問題和解決方案。教師再根據流程圖延伸，對相關知識點進行深度復習，具體見下圖。

分析農桿菌轉化法培育耐鹽堿水稻，復習時可以核心問題——如何提高水稻轉化效率為主線，層層深入探討實驗條件和改良方法。

首先，選擇水稻品種。選修3植物克隆中提出的植物全能性表達和植物種類、基因型等有關，所以需篩選全能性表達充分的水稻基因型；其次，水稻外植體的選擇也影響全能性表達；最后，水稻等單子葉植物在多次繼代培養后容易散失細胞全能性，所以需控制繼代次數等。

(1)獲得目的基因

基因工程育種具有克服遠緣雜交不親和的障礙和能定向改變生物性狀的優點，耐鹽堿基因不僅可以在水稻中尋找，也可從其他耐鹽堿生物中尋找，自然引出獲取目的基因分為序列已知和序列未知兩種情況。教師在解析時，需強調目的基因序列已知和序列未知的區別，構建基因文庫和從基因文庫獲取目的基因的方法可以背景資料形式呈現，幫助學生理解；此外，可利用浙科版新教材詳細解析PCR的步驟、特點、原理以及PCR產物的鑒定——瓊脂糖凝膠電泳，解析時注意步驟間的聯系和各種操作的原理，這樣在解題時學生才能在不同情境中理解實驗流程和各步驟設計的意義。

(2)形成重組DNA分子

形成重組DNA分子是基因工程的核心，首先，教師以為什么要構建重組DNA分子引入，提出載體需具備的條件、限制性核酸內切酶和DNA連接酶作用位點等；然后，引出如何提高重組DNA形成效率這一問題。復習時，教師可引導學生模擬影響酶促反應速率因素類比分析影響重組DNA分子形成效率的因素，分別從反應物和酶的角度理解。從而得出提高重組DNA分子效率需從反應物——目的基因質量濃度、載體質量濃度、粘性末端堿基序列；酶促反應條件——DNA連接酶的濃度活性和反應的溫度、pH等角度思考，從而進行發散性思維訓練。

(3)將重組DNA分子導入受體細胞

在農桿菌轉化法培育海水稻的前提下，如何提升重組DNA分子導入受體細胞的效率？復習時教師引導學生積極思考，充分培養其科學思維，并利用高考真題結合模擬影響酶促反應速率因素分析反應物——受體細胞種類、生長狀態和密度、質粒的質量和濃度、試劑的質量等；此外，篩選條件和防止污染等也是必要條件。

(4)篩選含目的基因的受體細胞和目的基因表達

檢測目的基因及其表達產物在浙科版新教材選擇性必修3中合為第四步。在復習時亦可利用新教材進行歸納、總結、分析。可從分子、細胞和個體三個水平解析各種檢測方法，也可從DNA、RNA、蛋白質和個體性狀四個方面解析。

解析抗原-抗體雜交法時，可據如何獲得抗體結合單克隆抗體的制備技術(雜交瘤技術)串聯動物細胞融合、動物細胞培養、動物細胞克隆等知識點。

新教材中對如何利用核酸探針檢測目的基因、瓊脂糖膠檢測PCR產物課后小資料Southern、Northern和Western印跡等均有詳細介紹，可將新教材內容印發給學生研讀，只有準確把握各種操作過程的原理，才能理解各步驟設計的意義。

3.細胞工程育種

教師提供資料：農桿菌是一種在土壤中生活的微生物，能在自然條件下侵染雙子葉植物和裸子植物，而對大多數單子葉植物沒有侵染能力；同時，由于植物細胞壁的存在，植物組織培養有一定難度，所以利用農桿菌轉化法培育海水稻在實驗成功率方面仍有缺陷。

如何改善缺陷，獲得更高的轉化率？

此模塊可結合植物細胞工程進行復習，水稻細胞工程育種是以細胞的全能性為理論基礎，在細胞水平、染色體水平上對水稻進行操作，育種方法包括原生質體培養、無性系篩選、體細胞雜交、花藥培養和多倍體育種等。

引導學生構建原生質體培養、原生質體轉基因和植物體細胞雜交的流程圖，結合電激法、顯微注射法等嘗試培育雜種水稻和多倍體水稻。

三、教學反思

生物學是一門與生活生產實踐密切相關的科學，生命科學的許多領域是當今科技發展的熱點和前沿，教師在復習時，可嘗試利用當前科研熱點情境，從解決實際問題出發進行二輪復習，利用情境在理解知識點的基礎上進行有效串聯，關注知識點間的整合、聯系和層層遞進，可有效提高復習效率。此外，基因工程模塊復習后，還可從瓊脂糖凝膠電泳原理、方法入手結合必修2人類遺傳病模塊中遺傳系譜圖分析相關內容，進行知識點間的串聯和應用。