“遺傳學”教學內容與科學前沿及社會熱點的整合

王倩男，安 邦，劉進平，牛曉磊，殷紅彥

（海南大學 a.熱帶作物學院；b.海南省熱帶生物資源可持續利用重點實驗室，海南 海口 570228）

遺傳學是生命科學中基礎且重要的學科之一，也是現代眾多學科中發展最為迅猛的學科之一。隨著分子生物學等相關學科的發展，遺傳學研究迎來了一個全新的時期。就教師而言，為適應創新型人才培養的要求和“遺傳學”的快速發展，如何著力于教學改革、如何充分調動學生學習的主動性和積極性、如何培養學生探索創新的能力，對“遺傳學”教學來說顯得尤為重要。筆者根據自身的教學實踐，提出兩個關于教學策略方面的改進意見。

一、“遺傳學”教學內容與科學前沿的整合

遺傳學是一門發展極快的科學。近幾十年來，由于遺傳學與許多相關學科之間相互促進，同時新技術及新儀器被廣泛應用，使得新的研究進展不斷賦予遺傳學新的內容。但是由于教材編寫和出版周期較長等原因，大多數學科的教材無法及時更新其課程內容，存在一定程度的滯后現象，遺傳學也不例外。這無疑不利于學生對新知識的學習，教師也難以激發學生的好奇心和求知欲。因此，對于“遺傳學”教學，除了要注重其基礎性，讓學生牢牢掌握生物遺傳和變異的現象及規律、遺傳分析的基本方法外，還要注重其前沿性，將科學前沿動態與基礎知識靈活組合，加深學生對相關知識的掌握，拓寬學生的知識面，讓學生真切感受科研的魅力，進一步提升學生的學習主動性，培養學生探索求真的科研精神。

例如，在講述染色體端粒的結構的相關內容時，首先介紹端粒的生物學功能、其串聯重復序列的結構組成、重復次數的特性等。隨后在介紹端粒長度的生物學意義時可引入發表在2021年（《植物細胞》）期刊上的“Natural Variation in Plant Telomere Length is Associated with Flowering Time”（植物端粒長度的自然變異與開花早晚相關）一文。該論文通過研究擬南芥、水稻、玉米的端粒長度的自然變異與開花時間的相關性，發現在這三種植物中，端粒較長的個體比端粒較短的個體更早開花，更長的端粒可能在較快發育并因此較早開花的植物中更具適應性。此外，在講述染色體端粒復制內容時，指出細胞分裂會消耗端粒，因此當端粒縮短到一定長度，細胞就會停止分裂。然后可通過提問“短端粒與衰老及某些疾病相關聯，那么是否端粒越長意味著越健康越年輕？”來引發學生進行課堂或課后討論。

在講解DNA復制內容時，首先參照教材內容講述原核生物DNA的復制過程，再通過歸納真核生物DNA復制的特點介紹真核DNA復制與原核DNA復制的異同點。但若僅僅介紹這些內容，一方面，與學生在中學生物課堂上所學內容重復較多；另一方面，使得課堂教學過于平淡，不易抓住學生的專注力。教師可以通過提問的方式引發學生思考和討論：“DNA前導鏈連續合成，后隨鏈不連續合成，那么前導鏈和后隨鏈的復制是否協同共進、復制進程完全一致？”然后可向學生介紹發表在2017年（《細胞》）期刊上的“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”（復制子中DNA聚合酶的獨立和隨機行為）一文。該論文通過實時單分子分析，分別對大腸桿菌DNA前導鏈和后隨鏈的復制進行了觀察，結果發現在大腸桿菌DNA的復制過程中，聚合酶并不相互協調，前導鏈和后隨鏈高度獨立復制，充滿隨機性。如，有時后隨鏈停止運行，但前導鏈繼續延長；有時其中一條鏈突然以10倍于正常速度進行復制，但最后仍能保證DNA復制的完整性。這一研究表明DNA復制是一個更為動態的不連續過程，無疑為DNA復制機制提供了新的見解。

在講述核外遺傳與植物雄性不育的相關內容時，可介紹袁隆平院士團隊研究與發展雜交水稻的艱苦歷程，培養學生不畏艱難、探索求知的精神。基于細胞質雄性不育（CMS）的三系法雜交稻是中國第一代雜交水稻。基于光、溫敏感的細胞核雄性不育系（GMS）的兩系法雜交稻則是第二代雜交水稻。第三代雜交水稻是以遺傳工程不育系為遺傳工具的兩系法雜交稻，袁隆平院士在第三屆中國（三亞）國際水稻論壇上指出，這將是今后的發展方向。2020年（《植物生物技術雜志》）期刊在線發表了湖南雜交水稻研究中心袁隆平院士/李莉研究員團隊的研究論文。該論文利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術對水稻花粉發育調控基因CYP703A3進行敲除，同時通過對水稻內源的紅蓮型細胞質不育基因orfH79進行精準調控，拓展了轉基因花粉致死體系，為第三代雜交育種技術在水稻及其他作物中的應用提供了參考，該研究將助推第三代雜交水稻育種技術的發展和產業化。同期，中國農業科學院的研究人員利用CRISPR/Cas9介導的基因編輯技術對玉米內源核基因組編碼的雄花育性基因MS26進行了定點編輯，實現了一步法創制雄性核不育系并篩選得到配套的保持系，該技術還可以拓展應用于其他雜交種作物，為第三代作物雜交種技術提供了高效的解決方案。

二、將日常生活及社會熱點引入“遺傳學”教學內容

遺傳學是一門兼具理論性和實踐性的學科，對農業科學有著直接的指導作用，與人類生活也有著密切的關系。聯系實際生活和生產實踐的教學，更能提高學生在課堂上的關注度和對學習的興趣，還可以增強學生分析問題和解決問題的能力。教師可在保證知識點完整性及連貫性的前提下，以學生興趣為出發點組織課堂教學，將日常生活中的一些常見問題及社會熱點內容有機整合到“遺傳學”教學中。

例如，在講述核型分析的相關內容時，可介紹其在試管嬰兒及人類產前診斷中的作用，此外還可以通過介紹產前唐氏篩查的三種常用方法，如普通唐氏篩查、無創DNA檢測及羊水穿刺檢測，與緒論章節相呼應，再次表明“遺傳學”與醫療衛生的關系及其重要性。此外，國家近期對生育政策進行了調整，提倡適齡婚育、優生優育，實施三孩生育政策。我們不難預料屆時將出現一大批高齡父母。教師可以高齡父母為切入點，將“人類遺傳病”與“染色體結構變異及數量變異”相關教學內容進行整合，組織學生對多類遺傳病的染色體組成展開推斷和討論，同時向學生普及預防遺傳病的相關知識。

在介紹人類性狀的孟德爾遺傳分析及人類的性連鎖的相關內容時，為了提高學生的學習興趣和課外資料搜索能力，除了介紹課本上或眾所周知的一些人類顯隱性性狀表現外，還可以向學生介紹“在線人類孟德爾遺傳”數據庫（OMIMOnline Mendelian Inheritance in Man,http://omim.org/）。OMIM是一個在持續更新中的關于人類基因和遺傳紊亂的數據庫（截至2021年8月27日，已更新26032個條目），搜索結果除了包括已知致病基因的定位信息、連鎖關系、功能及相關參考文獻外，還提供按孟德爾式遺傳的人類性狀的遺傳信息。該數據庫具有及時性、權威性、全面性和實用性等特點。教師可在課堂進行簡單的演示，如對血友病b（hemophilia B）進行搜索，可得知該性狀表型是X-連鎖隱性遺傳，由F9基因控制，該基因位于X染色體長臂末端（Xq27.1），該性狀表型的OMIM號是306900，該基因的OMIM號是300746。教師在課后提供有關OMIM的較為詳細的條目內容、檢索途徑和檢索方法，供學生在課余時間進行查閱和學習，培養學生自主學習、查閱文獻的能力。

基因突變指染色體上某個基因位點內部發生了化學性質的變化，與原來的基因形成對性關系。近兩年，全球人民的學習、工作和生活被新冠病毒（COVID-19）所影響。新冠病毒在其傳播過程中不斷從普通株變為α株（于英國發現的B.1.1.7,Alpha）、β 株（于南非發現的B.1.351,Beta）、γ株（于巴西發現的P.1,Gamma）、δ株（于印度發現的B.1.617,Delta），乃至目前的λ株（于秘魯發現的C.37,Lambda）。在課堂上，可將新冠病毒的突變與基因突變類型的教學結合起來。例如，研究報道指出，λ株出現了T76I和L452Q兩個突變（錯義突變），改變了該變種與血管緊張素轉化酶2（ACE2）細胞受體結合的性質，使得λ株呈現出高傳染性。此外，λ株的另一個突變（7個氨基酸的缺失突變）使之能逃避抗體的中和作用，降低接種疫苗后所產生的抵抗力。這一內容的整合會加深學生對基因突變類型的理解。教師引導學生理性認識新冠病毒仍會在傳播過程中發生新的變異，引導學生理解科研人員夜以繼日攻關不輟的艱辛，同時呼吁學生將防疫工作常態化，為防疫工作貢獻自己的力量。

在《基因工程》章節教學中，教師以“基因工程概述、基因工程的工具酶、基因工程的主要載體、基因的分離與鑒定、基因工程的應用”為邏輯主線，將爭議性科技議題“轉基因食品是否安全”有機整合到教學中。課前向學生發布預習資料：（1）基因工程概述的課件，“基因工程概念及技術路線”的任務；（2）科普讀物《理性看待轉基因》（由國家農業轉基因生物安全管理部際聯席會議辦公室和中國科協科普部組織專家編寫）電子版。課上，利用PPT動畫的形式介紹電影《侏羅紀公園》（1993）中克隆恐龍的簡要過程：（1）科學家從一枚侏羅紀時期的琥珀中，在剛吸食了恐龍血液的蚊子身上提取了恐龍的DNA；（2）用蟾蜍的DNA片段對恐龍的DNA片段進行修復和補充；（3）將重組DNA導入人工合成的細胞中；（4）進行一系列的檢測和篩選，最終讓克隆恐龍重新出現在人們的面前。隨后請學生回顧課前預習任務，引導學生將電影中克隆恐龍的四個簡要步驟與基因工程技術路線一一對應起來：（1）目的基因的獲取；（2）通過DNA重組技術構建表達載體；（3）將表達載體導入受體細胞；（4）目的基因的檢測與鑒定。這時就能引起學生對如何選擇和獲得目的基因、如何選擇和構建載體、如何將其導入受體細胞并進行后續的篩選和鑒定等一系列問題的興趣和關注，然后針對這些問題結合影片內容及其他轉基因作物案例一一講解，同時引入下一個內容，即“基因工程的應用”。隨后，教師通過實際案例介紹基因工程在工業基因工程、植物基因工程、動物基因工程、遺傳疾病診斷、基因治療等領域的應用。在講解植物基因工程內容時，可先讓學生對“市面可售的轉基因食品是否安全”這一話題進行舉手投票，并讓部分學生陳述其觀點。隨后通過以下四個方面介紹轉基因農作物的現狀：（1）再次回顧基因工程的原理步驟；（2）介紹在我國轉基因農作物進入市場的程序；（3）介紹五大權威科學機構（美國科學促進會、美國國家科學院、英國皇家學會、世界衛生組織、歐盟委員會）對轉基因技術安全性的定論；（4）介紹2021年2月18日，農業農村部辦公廳發布的《關于鼓勵農業轉基因生物原始創新和規范生物材料轉移轉讓轉育的通知》，引導學生深入思考，培養學生分析問題、辯證看待問題的能力。課后可將相關資料發送給學生，并鼓勵學生多方查閱文獻資料，以小論文的形式闡述“轉基因研究需要注意哪些問題”及自己的學習感悟。