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《遗传学》教学应用探索农学论文

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摘要:为培养学生的创新能力、激发学习兴趣,利用重演实验过程的视频教学方法,制作总时长为24分13秒的实验视频,详细介绍了植物基因组DNA提取;目的DNA的分离、纯化;DNA体外重组和阳性克隆检测及测序分析。通过课堂讨论与实验结果分析,引入最新研究技术,帮助学生理解和掌握遗传学中基因的概念和基因工程章节的基本理论,丰富学生的知识,拓展学生的思维,培养学生解决科学问题的研究技能,探索实验视频在农学类专业遗传学教学中的应用。

关键词:《遗传学》;实验视频;基因工程

建立研究型大学如今已经成为国内综合性大学的办学目标,这集中体现了高等教育中科研与教学相互依赖、相互促进的关系[1]。众所周知,培养研究型创新人才是研究型大学的教学目标之一,但对于《遗传学》这类教学内容复杂,专业性和实践性强的学科如何进行教学与科研的互动,并进一步培养学生的创新能力还处于探索阶段[1-6]。《遗传学》是实践性、应用性很强的学科,绝大部分知识点都是通过实验获得。同时,遗传学与生物化学、微生物学、细胞生物学、数学及计算机科学等学科相互交叉渗透,但可供理论教学的课时数有限,涉及概念多且相对抽象,缺乏感性认识,难以理解。近年来,随着生命科学研究领域的飞速发展,现代遗传学的教学重点已从经典遗传学逐渐转到基因的分子结构与功能分析以及基因组学[7]。因此,在将遗传学理论教学向教学科研结合转变的实践中,为了进一步启发学生的思维,提高学生对科学研究的兴趣,培养学生的实践动手能力,课程组结合教师的科研工作,因地制宜,以《遗传学》[8]课程中涉及《分子生物学》和《基因工程》的相关内容为出发点,制作了总时长为24分13秒的实验视频。视频涵盖了植物基因组DNA提取→目的DNA(基因)的分离、纯化→目的DNA和载体的连接及转化→阳性克隆检测及测序分析→质粒DNA提取和酶切→拟南芥遗传转化,共6个内容上相互关联但又相对独立的教学内容,视频引导学生在真实的情景中感受、体验对遗传物质及基因所做的相关研究,通过获取直接经验来加深对基本概念的认识和所学知识的理解与消化。结合学生实际观看视频的心得体会,文章对该教学视频的主要内容、特点及在教学实践中对学生的引导、启发进行了概述和总结,并通过视频播放的效果评价,探讨了重演实验过程的视频教学方法在农学专业《遗传学》及相关课程中的应用问题。

一、视频主要内容与特点简介

1.植物基因组DNA提取和检测。视频采用植物基因组DNA大量提取法,通过文字独白和实验展示的形式介绍了植物基因组DNA大量提取的过程和原理。在DNA提取中以近距离展示了50ml离心管中DNA在-20℃100%乙醇中析出时团起的场景,并将白色絮状的DNA用移液器枪头勾出,清晰地将遗传物质——DNA展示给学生。基因组总DNA的检测和浓度测定结果由琼脂糖凝胶电泳法和微量核酸蛋白测定仪共同完成。

2.目的DNA片段的获得和纯化。获得目的DNA是基因工程的第一步,常用的方法有聚合酶链式反应(Polymerasechainreaction,PCR)法、化学合成法、cD-NA文库法等。其中PCR法是DNA扩增技术的主要手段之一。扩增的目的DNA通过电泳分离后,可以进行片段回收和纯化。该视频以特异引物PCR为主,详细介绍了目的DNA片段获得的各个操作环节,将PCR技术的全过程展示给了学生。在目的DNA片段纯化中,对紫外灯照射下可以观察到的橘红色条带给予特写镜头,并将DNA纯化结果用琼脂糖凝胶电泳图片显示出来,使学生能身临其境地感受目的DNA条带的切割和后续使用试剂盒对切割条带进行纯化的全过程。

3.目的DNA和载体的连接及大肠杆菌的转化实验。纯化后的目的DNA片段,需要选择适当的克隆质粒载体,进行DNA片段与载体间的体外连接,获得重组DNA分子。经转化的重组DNA可以进入到相应的宿主菌中,用于对目的基因的扩增和表达,还可用于基因的序列分析和转基因等相关研究。视频对重组DNA分子的感受态细胞转化进行了重点拍摄。内容包括超净工作台的使用,固体LB培养基上菌液涂布实验及蓝白斑筛选。播放内容一气呵成,全面展示了重组DNA分子遗传转化的基本实验过程和相关细节,具有重要的演示和示范作用,通过实验过程的细致讲解及演示,帮助学生理解实际的基因操作技术和基因工程的核心理论。

4.重组DNA分子的筛选和测序。重组DNA分子可以在蛋白质水平和基因水平进行鉴定,蛋白质水平鉴定有插入失活双抗生素对照筛选和插入失活LacZ基因的蓝白斑筛选等;基因水平的鉴定有PCR鉴定、酶切鉴定、核酸杂交和基因序列分析等。视频四是在视频三蓝白斑筛选的基础上进行阳性克隆的PCR检测和基因序列分析,并将转化子的琼脂糖凝胶电泳检测和阳性克隆测序结果展示为图1。图中具体显示了转化子阳性克隆和假阳性的琼脂糖凝胶电泳检测结果,结合阳性克隆菌液的DNA测序结果,可进一步分析重组DNA分子的基因序列。视频四中介绍了目前基因及基因组学研究的前沿技术———DNA测序技术。该技术长期以来一直是基因分析相关研究中最常用的技术手段之一。测序技术在人类基因组计划、微生物基因组测序、转录组分析、单核苷酸多态性分析及基因组学中的广泛应用,不但使该技术自身得到了快速、深入的发展,也最大限度地促进了其他生物学领域的研究和发展。

5.质粒DNA提取和酶切。碱裂解法是常用地从大肠杆菌细胞中高效提取质粒DNA的方法。视频为了体现质粒DNA提取和酶切实验的有效性,选用试剂盒提取质粒DNA,并将提取的质粒DNA琼脂糖凝胶电泳检测结果显示为图2。同时,添加质粒及质粒载体结构和特点的讲解内容,使学生能够了解它们在基因工程中所起的重要作用。分离获得的重组质粒DNA经限制性内切酶酶切,并经琼脂糖凝胶电泳检测能够确定酶切片段的准确性(图2)。

6.农杆菌介导的拟南芥遗传转化。植物遗传转化又称转基因或植物基因工程,研究的关键是利用重组DNA、细胞组织培养等技术,将外源目的基因导入植物细胞或组织,使之定向重组遗传物质、改良植物性状、培育新品种。其中,农杆菌介导的遗传转化系统是外源基因进入植物细胞最成功和应用最广泛的方法。该视频主要介绍了农杆菌介导的拟南芥遗传转化的过程。其中,表达载体与目的基因连接和带有目的基因的重组DNA转化农杆菌的操作具体可以参照视频三,因此,在视频中仅对农杆菌侵染拟南芥植株进行了拍摄。

二、课堂讨论

重演实验过程最重要的优点是老师和同学们可以参照实验视频,深入发掘其中的内涵、外延知识。这种教学方法的最终目的是通过实验视频展示及结果分析,启发学生对比不同的技术操作原理,引导学生提出问题,并开展相关问题的讨论分析,从而激发学生对科学研究的兴趣,培养学生解决科学问题的研究技能。因此,课程组在授课过程中除了对视频内容进行整体播放外,还可以对每部分视频内容进行单独播放,引导学生对每个实验内容进行深入理解。同时,针对不同的实验内容安排不同的课题讨论,并由此引入遗传学及基因工程中最新的研究进展,丰富和拓宽学生的知识面。

1.植物基因组DNA提取和检测视频中,可以引导学生对比SDS法、CTAB法及这两种方法结合在实际操作中的应用,以及琼脂糖凝胶电泳法和微量核酸蛋白测定法在DNA浓度检测中的优缺点。让学生了解离心操作的重要性和基本的安全操作知识。

2.视频二所展示的核心内容是PCR技术,该技术自20世纪80年代诞生以来,由于其操作简便、技术可靠,并在体外短时间内可获得数百万个特定DNA序列拷贝,目前已被世界各国广泛应用于农业、医学、古生物学等各个领域的基因研究和分析,对遗传学、分子生物学及分子遗传学的发展产生了革命性的影响。针对PCR技术的基础性和重要性,可以引导学生深入了解PCR技术的发展和应用。

3.DNA重组技术是转基因技术的关键技术之一,该技术建立于1972年,是在体外重新组合DNA分子,并使其在细胞中增殖和表达的遗传操作技术。最新研究表明,遗传转化或遗传修饰技术已经进入了基因编辑的时代。传统的转基因技术,如农杆菌介导T-DNA插入法、基因枪法、花粉管通道法等,是将目的片段随机插入到基因组中,因而存在对受体基因组的信息的随机破坏和无法控制的缺点。靶向基因编辑技术能精准修饰受体基因组位点信息,尽可能小地降低对受体基因组背景的影响,从而受到广大生物学家的青睐。那么,对于这种新的遗传修饰技术有哪些重要的应用?目前正在研究和利用的CRISPR/Cas系统有哪些基本特征?机理是什么?等等问题可以引发学生对前沿科学知识的兴趣,并进行跟踪学习。

4.DNA测序技术已经发展到了第三代测序技术。第一代测序技术以Sanger等发明的双脱氧链终止法为代表[9];第二代测序又称下一代测序(Next-generationsequencing,NGS)技术,是真正意义上实现了高通量的划时代测序技术[10]。第三代测序技术是基于单分子读取技术,不要PCR扩增,具有可进行甲基化识别,高分辨率检测单核苷酸多态性等特点,在遗传学基因定位和复杂基因组测序中具有广泛的应用前景[11,12]。

5.针对不同的目的基因,如何构建适合的超表达载体以及如何构建高效的遗传转化体系都是要深入探讨和研究的问题。除此以外,还可以对农杆菌介导的遗传转化与其他遗传转化方法的对比分析进行课堂讨论。由于遗传学课程的总课时数在很多高校中都一再缩减,所以授课教师可以依据自己的研究方向以及学生的接收程度,在课堂讨论中对个别问题或2—3个相关问题进行深入探讨。

三、学生意见反馈及对视频播放的效果评价

1.经过遗传物质的分子基础和基因工程理论课讲解后,课题组对学生观看视频后的意见进行了收集和分析,发现大部分学生对视频的制作和内容安排都非常满意,并表示观看后对自己很有帮助,尤其对基因的概念和基因工程的基本操作步骤有了清晰的认识。

2.整体而言,通过遗传学理论课的系统讲解,视频播放的效果显著,对学生影响较大。其中,通过DNA重组技术和DNA测序技术及测序结果的演示和讲解,将前沿科学技术引入日常教学,不但丰富了教学内容,拓展了学生的知识面,还能最大限度地激发学生的学习积极性,鼓励学生主动参与科学研究,实践各项科学技术,为后续学习和进一步的深造奠定基础。

四、结语

针对分子遗传学发展迅速的现状,结合科研工作和实验室的工作条件,因地制宜,将教学内容中涉及“分子生物学”和“基因工程”的部分实验环节录制成视频,在教学过程中边讲解边放映,引导学生在真实的情景中感受、体验对遗传物质及基因所做的相关研究,通过获取直接经验来加深对基本概念的认识和所学知识的理解与消化。用短小、精练的6个小视频将重点知识单元串联成为一个完整的体系,为学生全面了解遗传物质———基因和分子生物学及分子遗传学所进行的基因操作奠定了基础。视频充分应用现代多媒体技术和设施,采用重演实验过程的教学方法,完整地再现了遗传学诞生以来,生命科学中利用的重要技术发明如:DNA重组技术,DNA测序技术及聚合酶链式反应技术。该教学过程的实践,既能引领学生了解遗传学的前沿知识,让学生对遗传学的重要概念有深入的认识,又能发展学生的个性,培养其探究能力和创新意识。此外,相关视频已在《生物技术概论》课程的基因工程章节中进行了播放,同学们反响强烈,经前期系统的理论介绍后,再通过实验视频的回复播放,将前沿科学技术引入日常教学,不但丰富了教学内容,使教学内容更加生动形象,还拓宽了学生的视野,弥补了实验条件的不足。因此,该视频不仅可以在《遗传学》相关章节中使用,也可以在生物技术相关课程中进行使用,同时为遗传学微课和翻转课堂的建设提供了支撑。最终,该实验教学视频将教师实践的科学研究引进并应用于教学,使研究为教学所用,弥补理论教学和实践教学的不足,促进教学与科研的互动,为实验视频在农学类专业遗传学教学中的实践和应用提供了参考。

参考文献:

[1]邢万金,莫日根,苏慧敏.生物学教学中研究型教学方法与内容的探索[J].遗传,2014,36(7):732-738.

[2]林海,李虹,袁建关,何勇.大学研究型教学的理论与实践探索[J].北京科技大学学报(社会科学版),2013,29(1):94-99.

[3]何风华,朱碧岩,高峰,李韶山,李娘辉.孟德尔豌豆基因克隆的研究进展及其在遗传学教学中的应用[J].遗传,2013,35(7):931-938.

[4]邢万金,扈庭茂.本科基因工程大实验教学改革的实践和体会[J].生物学通报,2007,42(2):48-50.

[5]刘冰,陈厚,倪文莉.以科学本质为基础的研究型教学新思路[J].高等理科教育,2011,(3):74-78.

[6]张安富.改革教学方法探索研究型教学[J].中国大学教学,2012,(1):65-67.

[7]邢万金,莫日根,阿拉坦高勒,苏慧敏.以遗传信息为主线的遗传学教学架构及与其他课程的衔接[J].遗传,2011,33(6):661-664.

[8]刘庆昌.遗传学[M].第二版[11]陆才瑞,邹长松,宋国立.高通量测序技术结合正向遗传学手段在基因定位研究中的应用[J].遗传,2015,(37):76-77.

[12]刘振,徐建红.高通量测序技术在转座子研究中的应用[J].遗传,2015,(37):885-898.

作者:刘凤楼 刘萍 单位:宁夏大学农学院

《遗传学》教学应用探索农学论文责任编辑:张雨    阅读:人次
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