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(shí)點(diǎn)，近幾年考查時(shí)常結(jié)合植物細(xì)胞工程和必修2中育種相關(guān)知識(shí)進(jìn)行綜合考查，且開放性問題比例增加，此考點(diǎn)所占分值約10分，學(xué)生在答題時(shí)存在的普遍問題是不清楚問題的答案是什么，看到答案時(shí)又恍然大悟，都是平時(shí)會(huì)的知識(shí)點(diǎn)，但考試時(shí)卻無(wú)從下手。究其根本，是對(duì)基因工程流程的不熟悉。

基因工程從上世紀(jì)中葉開始發(fā)展，屬于現(xiàn)代生物技術(shù)的主流，對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求較高，絕大多數(shù)高中實(shí)驗(yàn)室無(wú)法開展實(shí)驗(yàn)，且浙科版舊教材對(duì)基因工程流程解析得不夠詳細(xì)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程一知半解，做題時(shí)常答非所問。鑒于以上情況，教師可在復(fù)習(xí)時(shí)以袁隆平院士的海水稻(耐鹽堿水稻)培育情境為主線，結(jié)合浙科版新教材選擇性必修3《生物技術(shù)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(yīng)用和選修3中植物克隆、植物細(xì)胞工程相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，理解每個(gè)過程的目的、原理和操作方法，有效提高復(fù)習(xí)效率。

一、情境導(dǎo)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(huán)境下生長(zhǎng)，對(duì)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(shuō)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(zhǎng)，且單產(chǎn)可達(dá)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(zhì)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(jī)食品。所以研究海水稻(耐鹽堿水稻)的耐鹽機(jī)理，提高其耐鹽堿能力，培育耐鹽堿新品種并推廣應(yīng)用，是保障我國(guó)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(yōu)缺點(diǎn)？

二、海水稻(耐鹽堿水稻)培育方法

1.常規(guī)育種

利用所學(xué)知識(shí)，先從必修2中變異的應(yīng)用——常規(guī)育種開始，學(xué)生根據(jù)上述問題，小組合作歸納總結(jié)雜交育種、單倍體育種、誘變育種的原理、步驟、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體見下表。

育種方法原理步驟優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(yōu)良性狀植株連續(xù)自交,直至不再出現(xiàn)性狀分離可將多個(gè)品種的優(yōu)良性狀集中于一個(gè)親本,得到具雜種優(yōu)勢(shì)的植株育種年限長(zhǎng)、缺乏耐鹽堿的親本、水稻花型不易去雄、遠(yuǎn)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(yǎng)得單倍體幼苗,再經(jīng)秋水仙素處理后得到穩(wěn)定遺傳植株排除顯隱性干擾、明顯縮短育種年限技術(shù)要求高、操作復(fù)雜、水稻全能性不易表達(dá)、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(xué)、生物誘變劑處理野生型水稻,再進(jìn)行種植篩選可以提高突變頻率、加速育種進(jìn)程、大幅度改良某些性狀有利變異少、需大量處理實(shí)驗(yàn)材料、具有盲目性

教師引導(dǎo)學(xué)生深入分析知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，通過比較各育種方法的適用情境，能針對(duì)日常生活中遇到的問題積極探索解決方式，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。從現(xiàn)代生物科技情境入手，能更好地引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注時(shí)事、了解生物高科技、培養(yǎng)學(xué)科興趣。

由常規(guī)育種存在遠(yuǎn)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(diǎn)，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(dǎo)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(zhuǎn)基因技術(shù)中運(yùn)用最廣泛的是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，復(fù)習(xí)時(shí)可從農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的步驟詳解和優(yōu)化入手，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建基礎(chǔ)流程圖，并探討實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題和解決方案。教師再根據(jù)流程圖延伸，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深度復(fù)習(xí)，具體見下圖。

分析農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法培育耐鹽堿水稻，復(fù)習(xí)時(shí)可以核心問題——如何提高水稻轉(zhuǎn)化效率為主線，層層深入探討實(shí)驗(yàn)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(dá)和植物種類、基因型等有關(guān)，所以需篩選全能性表達(dá)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(dá)；最后，水稻等單子葉植物在多次繼代培養(yǎng)后容易散失細(xì)胞全能性，所以需控制繼代次數(shù)等。

(1)獲得目的基因

基因工程育種具有克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙和能定向改變生物性狀的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)，需強(qiáng)調(diào)目的基因序列已知和序列未知的區(qū)別，構(gòu)建基因文庫(kù)和從基因文庫(kù)獲取目的基因的方法可以背景資料形式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生理解；此外，可利用浙科版新教材詳細(xì)解析PCR的步驟、特點(diǎn)、原理以及PCR產(chǎn)物的鑒定——瓊脂糖凝膠電泳，解析時(shí)注意步驟間的聯(lián)系和各種操作的原理，這樣在解題時(shí)學(xué)生才能在不同情境中理解實(shí)驗(yàn)流程和各步驟設(shè)計(jì)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(gòu)建重組DNA分子引入，提出載體需具備的條件、限制性核酸內(nèi)切酶和DNA連接酶作用位點(diǎn)等；然后，引出如何提高重組DNA形成效率這一問題。復(fù)習(xí)時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生模擬影響酶促反應(yīng)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(yīng)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(yīng)物——目的基因質(zhì)量濃度、載體質(zhì)量濃度、粘性末端堿基序列；酶促反應(yīng)條件——DNA連接酶的濃度活性和反應(yīng)的溫度、pH等角度思考，從而進(jìn)行發(fā)散性思維訓(xùn)練。

(3)將重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞

在農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法培育海水稻的前提下，如何提升重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞的效率？復(fù)習(xí)時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生積極思考，充分培養(yǎng)其科學(xué)思維，并利用高考真題結(jié)合模擬影響酶促反應(yīng)速率因素分析反應(yīng)物——受體細(xì)胞種類、生長(zhǎng)狀態(tài)和密度、質(zhì)粒的質(zhì)量和濃度、試劑的質(zhì)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(xì)胞和目的基因表達(dá)

檢測(cè)目的基因及其表達(dá)產(chǎn)物在浙科版新教材選擇性必修3中合為第四步。在復(fù)習(xí)時(shí)亦可利用新教材進(jìn)行歸納、總結(jié)、分析。可從分子、細(xì)胞和個(gè)體三個(gè)水平解析各種檢測(cè)方法，也可從DNA、RNA、蛋白質(zhì)和個(gè)體性狀四個(gè)方面解析。

解析抗原-抗體雜交法時(shí)，可據(jù)如何獲得抗體結(jié)合單克隆抗體的制備技術(shù)(雜交瘤技術(shù))串聯(lián)動(dòng)物細(xì)胞融合、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物細(xì)胞克隆等知識(shí)點(diǎn)。

新教材中對(duì)如何利用核酸探針檢測(cè)目的基因、瓊脂糖膠檢測(cè)PCR產(chǎn)物課后小資料Southern、Northern和Western印跡等均有詳細(xì)介紹，可將新教材內(nèi)容印發(fā)給學(xué)生研讀，只有準(zhǔn)確把握各種操作過程的原理，才能理解各步驟設(shè)計(jì)的意義。

3.細(xì)胞工程育種

教師提供資料：農(nóng)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(duì)大多數(shù)單子葉植物沒有侵染能力；同時(shí)，由于植物細(xì)胞壁的存在，植物組織培養(yǎng)有一定難度，所以利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法培育海水稻在實(shí)驗(yàn)成功率方面仍有缺陷。

如何改善缺陷，獲得更高的轉(zhuǎn)化率？

此模塊可結(jié)合植物細(xì)胞工程進(jìn)行復(fù)習(xí)，水稻細(xì)胞工程育種是以細(xì)胞的全能性為理論基礎(chǔ)，在細(xì)胞水平、染色體水平上對(duì)水稻進(jìn)行操作，育種方法包括原生質(zhì)體培養(yǎng)、無(wú)性系篩選、體細(xì)胞雜交、花藥培養(yǎng)和多倍體育種等。

引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建原生質(zhì)體培養(yǎng)、原生質(zhì)體轉(zhuǎn)基因和植物體細(xì)胞雜交的流程圖，結(jié)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(xué)反思

生物學(xué)是一門與生活生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)的科學(xué)，生命科學(xué)的許多領(lǐng)域是當(dāng)今科技發(fā)展的熱點(diǎn)和前沿，教師在復(fù)習(xí)時(shí)，可嘗試?yán)卯?dāng)前科研熱點(diǎn)情境，從解決實(shí)際問題出發(fā)進(jìn)行二輪復(fù)習(xí)，利用情境在理解知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效串聯(lián)，關(guān)注知識(shí)點(diǎn)間的整合、聯(lián)系和層層遞進(jìn)，可有效提高復(fù)習(xí)效率。此外，基因工程模塊復(fù)習(xí)后，還可從瓊脂糖凝膠電泳原理、方法入手結(jié)合必修2人類遺傳病模塊中遺傳系譜圖分析相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)間的串聯(lián)和應(yīng)用。