施海濤　方嬌　陳銀華

摘 要： 在現(xiàn)代生命科學(xué)與生物技術(shù)高速發(fā)展的背景下，針對高等教育農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)專業(yè)的必修課程生命科學(xué)與技術(shù)前沿中基因工程的教學(xué)現(xiàn)狀及學(xué)生們學(xué)習(xí)積極性不高的問題，作者所在單位通過集中各專業(yè)豐富教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)的教授，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐和在科研一線的經(jīng)驗(yàn)，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了與時俱進(jìn)的改革探索，取得了較好的教學(xué)效果，大大開闊了學(xué)生們的眼界和思路，提高了他們對生命科學(xué)的興趣。

關(guān)鍵詞： 生命科學(xué)與生物技術(shù) 課程改革 教學(xué)效果

21世紀(jì)，生命科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為世界科學(xué)前沿最活躍的學(xué)科之一，特別是其中的基因工程，代表和引領(lǐng)著科學(xué)發(fā)展的最新方向。隨著各種新理論、新概念、新技術(shù)和新方法的不斷涌現(xiàn)，部分生命科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程的設(shè)置和內(nèi)容明顯落后于現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，很多先進(jìn)的技術(shù)方法和新理論不能及時地走進(jìn)課堂，使學(xué)生們?nèi)狈Ω咝录夹g(shù)發(fā)展對社會進(jìn)步和日常生活影響的認(rèn)識，影響了他們科學(xué)價值觀的形成。

筆者所在單位設(shè)置了生命科學(xué)與技術(shù)前沿中基因工程講座課，由具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研經(jīng)驗(yàn)的教授共同承擔(dān)，介紹各相關(guān)領(lǐng)域基因工程的基本原理方法、新理論、新概念、新技術(shù)、新方法和最新的研究進(jìn)展等。通過該課程改革，取得了較好的教學(xué)效果，大大開闊了學(xué)生們的眼界和思路，也提高了他們對生命科學(xué)的興趣，培養(yǎng)了他們的科學(xué)思維和科學(xué)價值觀。

一、突出科學(xué)目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容

第一，選擇10余位具豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研經(jīng)驗(yàn)的教授共同承擔(dān)課程，介紹各相關(guān)領(lǐng)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(shù)和最新的研究進(jìn)展等，讓學(xué)生們了解各個研究方面，從而較早培養(yǎng)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(xiàn)代生命科學(xué)百年之旅——現(xiàn)代生命科學(xué)大事件，人類腸道細(xì)菌相關(guān)的基因組學(xué)，植物抗病功能基因組學(xué)，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(yǎng)：原理與進(jìn)展，植物鹽害及其抗鹽性機(jī)理，植物免疫受體研究，葡萄抗病分子機(jī)制，植物受體激酶的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，蛋白質(zhì)泛素化及泛素化介導(dǎo)的激素信號，能源植物的研發(fā)現(xiàn)狀及其遺傳改良等。

第二，通過大量舉例向?qū)W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(jīng)典的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程和故事融入教學(xué)內(nèi)容。

第三，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的整體性、系統(tǒng)性和前沿性。在教學(xué)中兼顧各個研究領(lǐng)域，從形態(tài)分類到生理生化，從微觀到宏觀，從細(xì)胞水平到分子水平，從微生物、動植物到人類，從生物信息學(xué)到基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)，從而保證教學(xué)內(nèi)容的完整性。要體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性，包括基礎(chǔ)理論研究專題，基礎(chǔ)應(yīng)用研究和應(yīng)用開發(fā)研究。還要保證課程內(nèi)容的前沿性，有助于向?qū)W生們展示研究結(jié)果和方向，也有助于學(xué)生們了解各個領(lǐng)域的動態(tài)發(fā)展前沿。

第四，在教學(xué)中注意基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合、學(xué)術(shù)與現(xiàn)實(shí)接軌、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。下面我們就這些方面作詳細(xì)的探討。

二、基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合

RNA干擾（RNAi，RNA interference），筆者從該技術(shù)的定義、反應(yīng)過程、技術(shù)應(yīng)用與最新發(fā)展介紹。RNAi是由雙鏈RNA所誘導(dǎo)產(chǎn)生的同源mRNA的降解現(xiàn)象，廣泛存在于動物、植物、真菌等生物中，往往使目標(biāo)基因在轉(zhuǎn)錄后發(fā)生沉默。該現(xiàn)象在動物中被稱為RNA干擾，在植物中被稱為轉(zhuǎn)錄后的基因沉默。這一機(jī)制是一個非常保守的機(jī)制，一般被認(rèn)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(jī)制。RNAi技術(shù)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(gòu)建（由同時表達(dá)的同一基因序列sense RNA和antisense RNA所形成的雙鏈RNA）和轉(zhuǎn)化在體內(nèi)形成特定的小RNA，造成已知的目的基因的沉默的技術(shù)，也被稱為轉(zhuǎn)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(shù)已成功，這一技術(shù)的原理是利用amiRNA替代特定的內(nèi)源microRNA前體中的核心序列，隨后在體內(nèi)形成特定的microRNA，進(jìn)而抑制相應(yīng)基因的表達(dá)。

CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是最新出現(xiàn)的一種由RNA指導(dǎo)的Cas9核酸酶對靶向基因進(jìn)行編輯的技術(shù)。CRISPR/Cas9是細(xì)菌和古細(xì)菌為應(yīng)對病毒和質(zhì)粒不斷攻擊而演化而來的獲得性免疫防御機(jī)制。在這一系統(tǒng)中，crRNA（CRISPR-derived RNA）通過堿基配對與tracrRNA（trans-activating RNA）結(jié)合形成雙鏈RNA，此tracrRNA/crRNA二元復(fù)合體指導(dǎo)Cas9蛋白在crRNA引導(dǎo)序列靶定位點(diǎn)切斷雙鏈DNA。CRISPR/Cas9的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，對基因組的效率高。需要對某一個靶位點(diǎn)編輯的時候，只需要表達(dá)相應(yīng)的sgRNA即可，不需要對Cas9核酸酶進(jìn)行改造。CRISPR-Cas系統(tǒng)已經(jīng)成功作為一種工具，在動物和植物細(xì)胞中執(zhí)行高效、高特異性的全基因組篩選，在增強(qiáng)靶標(biāo)特異性方面取得了巨大的進(jìn)步，為尋找人類健康和疾病相關(guān)的基因功能及作物產(chǎn)量與抗性相關(guān)的重要基因功能，帶來了無限的可能性。

三、學(xué)術(shù)與現(xiàn)實(shí)接軌

中國地大物博，有豐富的各類資源，那么農(nóng)學(xué)方面呢？筆者在課堂中以日常中最常見的農(nóng)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(zhì)基礎(chǔ)，亦是糧食生產(chǎn)發(fā)展的寶貴財(cái)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(xiāng)縣，東起臺灣省，西至云南省盈江縣都發(fā)現(xiàn)過野生稻?，F(xiàn)代栽培稻相對普通野生稻，丟失了大量優(yōu)異基因，有抗病、蟲、雜草及抗逆基因，也有高效營養(yǎng)和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)基因。袁隆平先生選育的雜交稻繼承了普通野生稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)基因。

如何利用我國豐富的野生種質(zhì)資源，特別是植物資源？（1）從某一物種的大量種質(zhì)資源庫中篩選獲得品質(zhì)優(yōu)良和抗性較強(qiáng)的品種可以直接應(yīng)用；（2）利用抗性差異較大的品種，通過關(guān)鍵位點(diǎn)的定位或全基因組關(guān)聯(lián)分析得出控制某些性狀的主效基因，進(jìn)行功能驗(yàn)證后通過分子設(shè)計(jì)改良間接應(yīng)用；（3）利用差異較大的品種，通過各種組學(xué)的比較分析，分離鑒定并驗(yàn)證這些差異表達(dá)基因或代謝物在這些性狀調(diào)控中的作用。

最后，筆者在課堂上與學(xué)生探討了轉(zhuǎn)基因的安全性問題，讓他們正確認(rèn)識現(xiàn)代新興技術(shù)，并應(yīng)用科學(xué)的思維態(tài)度正確應(yīng)對各種流言。此外，一些不涉及食品安全的轉(zhuǎn)基因植物，更是容易得到絕大多數(shù)人的認(rèn)可。比如：⑴花青素衍生物呈紅色，翠雀素衍生物呈藍(lán)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(guān)鍵酶。利用反義RNA技術(shù)可有效抑制矮牽?；▽僦参锛?xì)胞內(nèi)的CHS基因表達(dá)，使轉(zhuǎn)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(dá)抑制程度的差異可產(chǎn)生一系列中間類型的花色。（2）轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。昆蟲對農(nóng)作物的危害極大，全世界每年因此損失數(shù)千億美元。目前對付昆蟲的主要武器仍是化學(xué)殺蟲劑，不但嚴(yán)重污染環(huán)境，而且誘使害蟲產(chǎn)生相應(yīng)的抗性。將抗蟲基因?qū)朊藁ㄊ侵参锘蚬こ痰牡靡庵P，能避免化學(xué)殺蟲劑所造成的許多負(fù)面影響。目前，抗蟲作物已占全球轉(zhuǎn)基因作物的22%，用于構(gòu)建抗蟲害轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)用最廣泛。

四、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)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(jìn)入后基因組時代，反向遺傳學(xué)的研究策略必不可少，一些高效的生物學(xué)研究技術(shù)也被大量應(yīng)用，如基因差異表達(dá)分析、基因標(biāo)簽技術(shù)、基因的超量表達(dá)和RNA干擾等。那么農(nóng)桿菌介導(dǎo)的水稻胚性愈傷轉(zhuǎn)化技術(shù)即水稻轉(zhuǎn)基因技術(shù)是怎么操作的呢？一方面，筆者講述了愈傷組織的培養(yǎng)、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化、抗性愈傷組織篩選及分化、生根成苗的整個實(shí)驗(yàn)操作過程。另一方面，筆者讓學(xué)生們實(shí)地參觀了植物組培室中處于各個時期的水稻轉(zhuǎn)基因過程，并親身體驗(yàn)了部分實(shí)驗(yàn)操作過程，讓學(xué)生們了解到轉(zhuǎn)基因水稻是如何產(chǎn)生的。

在教學(xué)中提出問題，通過課程教學(xué)和學(xué)生閱讀相關(guān)資料解決問題。隨著基因組測序的完成，出現(xiàn)了大量的基因序列數(shù)據(jù)，勢必要求人們對這些基因進(jìn)行功能鑒定。比如植物體內(nèi)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(dá)的植株即功能增加植株，比較其與相應(yīng)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(xué)中還向?qū)W生介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)量、快速卷葉、氣孔關(guān)閉、高水分利用率、厚角質(zhì)層、滲透調(diào)節(jié)能力、耐脫水性、膜穩(wěn)定性、根系生長及活力、K■/Na■比等。

五、課堂教學(xué)與課外興趣結(jié)合

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

通過學(xué)習(xí)和借鑒不同老師和學(xué)科的現(xiàn)代教學(xué)理念，不斷改進(jìn)了教學(xué)方式和課程考核方式，開闊了學(xué)生們的國際視野，啟發(fā)了本科生和研究生的科研思路，增強(qiáng)了他們的創(chuàng)新意識并進(jìn)一步發(fā)展了他們的創(chuàng)新能力。同時，通過課程教學(xué)，可以培養(yǎng)一批具有較好的教學(xué)效果、較高教學(xué)水平、能夠參相關(guān)國際學(xué)術(shù)交流的中青年優(yōu)秀骨干教師。

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感謝海南省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目——教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（題目：基因工程海南省精品課程體系與教學(xué)內(nèi)容整體優(yōu)化研究，批準(zhǔn)號：Hnjg2016-10）和海南大學(xué)教育教學(xué)研究課題立項(xiàng)項(xiàng)目（題目：基因工程海南省精品課程體系與教學(xué)內(nèi)容整體優(yōu)化研究，批準(zhǔn)號：hdjy1601）的資助。