《遺傳學(xué)》教學(xué)應(yīng)用探索農(nóng)學(xué)論文范文

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摘要：為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，利用重演實(shí)驗(yàn)過程的視頻教學(xué)方法，制作總時(shí)長(zhǎng)為24分13秒的實(shí)驗(yàn)視頻，詳細(xì)介紹了植物基因組DNA提取；目的DNA的分離、純化；DNA體外重組和陽性克隆檢測(cè)及測(cè)序分析。通過課堂討論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，引入最新研究技術(shù)，幫助學(xué)生理解和掌握遺傳學(xué)中基因的概念和基因工程章節(jié)的基本理論，豐富學(xué)生的知識(shí)，拓展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生解決科學(xué)問題的研究技能，探索實(shí)驗(yàn)視頻在農(nóng)學(xué)類專業(yè)遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：《遺傳學(xué)》；實(shí)驗(yàn)視頻；基因工程

建立研究型大學(xué)如今已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)綜合性大學(xué)的辦學(xué)目標(biāo)，這集中體現(xiàn)了高等教育中科研與教學(xué)相互依賴、相互促進(jìn)的關(guān)系[1]。眾所周知，培養(yǎng)研究型創(chuàng)新人才是研究型大學(xué)的教學(xué)目標(biāo)之一，但對(duì)于《遺傳學(xué)》這類教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，專業(yè)性和實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科如何進(jìn)行教學(xué)與科研的互動(dòng)，并進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力還處于探索階段[1-6]。《遺傳學(xué)》是實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，絕大部分知識(shí)點(diǎn)都是通過實(shí)驗(yàn)獲得。同時(shí)，遺傳學(xué)與生物化學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科相互交叉滲透，但可供理論教學(xué)的課時(shí)數(shù)有限，涉及概念多且相對(duì)抽象，缺乏感性認(rèn)識(shí)，難以理解。近年來，隨著生命科學(xué)研究領(lǐng)域的飛速發(fā)展，現(xiàn)代遺傳學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)已從經(jīng)典遺傳學(xué)逐漸轉(zhuǎn)到基因的分子結(jié)構(gòu)與功能分析以及基因組學(xué)[7]。因此，在將遺傳學(xué)理論教學(xué)向教學(xué)科研結(jié)合轉(zhuǎn)變的實(shí)踐中，為了進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的思維，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，課程組結(jié)合教師的科研工作，因地制宜，以《遺傳學(xué)》[8]課程中涉及《分子生物學(xué)》和《基因工程》的相關(guān)內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)，制作了總時(shí)長(zhǎng)為24分13秒的實(shí)驗(yàn)視頻。視頻涵蓋了植物基因組DNA提取→目的DNA（基因）的分離、純化→目的DNA和載體的連接及轉(zhuǎn)化→陽性克隆檢測(cè)及測(cè)序分析→質(zhì)粒DNA提取和酶切→擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化，共6個(gè)內(nèi)容上相互關(guān)聯(lián)但又相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容，視頻引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的情景中感受、體驗(yàn)對(duì)遺傳物質(zhì)及基因所做的相關(guān)研究，通過獲取直接經(jīng)驗(yàn)來加深對(duì)基本概念的認(rèn)識(shí)和所學(xué)知識(shí)的理解與消化。結(jié)合學(xué)生實(shí)際觀看視頻的心得體會(huì)，文章對(duì)該教學(xué)視頻的主要內(nèi)容、特點(diǎn)及在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)、啟發(fā)進(jìn)行了概述和總結(jié)，并通過視頻播放的效果評(píng)價(jià)，探討了重演實(shí)驗(yàn)過程的視頻教學(xué)方法在農(nóng)學(xué)專業(yè)《遺傳學(xué)》及相關(guān)課程中的應(yīng)用問題。

一、視頻主要內(nèi)容與特點(diǎn)簡(jiǎn)介

1.植物基因組DNA提取和檢測(cè)。視頻采用植物基因組DNA大量提取法，通過文字獨(dú)白和實(shí)驗(yàn)展示的形式介紹了植物基因組DNA大量提取的過程和原理。在DNA提取中以近距離展示了50ml離心管中DNA在-20℃100%乙醇中析出時(shí)團(tuán)起的場(chǎng)景，并將白色絮狀的DNA用移液器槍頭勾出，清晰地將遺傳物質(zhì)——DNA展示給學(xué)生。基因組總DNA的檢測(cè)和濃度測(cè)定結(jié)果由瓊脂糖凝膠電泳法和微量核酸蛋白測(cè)定儀共同完成。

2.目的DN段的獲得和純化。獲得目的DNA是基因工程的第一步，常用的方法有聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerasechainreaction，PCR）法、化學(xué)合成法、cD-NA文庫法等。其中PCR法是DNA擴(kuò)增技術(shù)的主要手段之一。擴(kuò)增的目的DNA通過電泳分離后，可以進(jìn)行片段回收和純化。該視頻以特異引物PCR為主，詳細(xì)介紹了目的DN段獲得的各個(gè)操作環(huán)節(jié)，將PCR技術(shù)的全過程展示給了學(xué)生。在目的DN段純化中，對(duì)紫外燈照射下可以觀察到的橘紅色條帶給予特寫鏡頭，并將DNA純化結(jié)果用瓊脂糖凝膠電泳圖片顯示出來，使學(xué)生能身臨其境地感受目的DNA條帶的切割和后續(xù)使用試劑盒對(duì)切割條帶進(jìn)行純化的全過程。

3.目的DNA和載體的連接及大腸桿菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。純化后的目的DN段，需要選擇適當(dāng)?shù)目寺≠|(zhì)粒載體，進(jìn)行DN段與載體間的體外連接，獲得重組DNA分子。經(jīng)轉(zhuǎn)化的重組DNA可以進(jìn)入到相應(yīng)的宿主菌中，用于對(duì)目的基因的擴(kuò)增和表達(dá)，還可用于基因的序列分析和轉(zhuǎn)基因等相關(guān)研究。視頻對(duì)重組DNA分子的感受態(tài)細(xì)胞轉(zhuǎn)化進(jìn)行了重點(diǎn)拍攝。內(nèi)容包括超凈工作臺(tái)的使用，固體LB培養(yǎng)基上菌液涂布實(shí)驗(yàn)及藍(lán)白斑篩選。播放內(nèi)容一氣呵成，全面展示了重組DNA分子遺傳轉(zhuǎn)化的基本實(shí)驗(yàn)過程和相關(guān)細(xì)節(jié)，具有重要的演示和示范作用，通過實(shí)驗(yàn)過程的細(xì)致講解及演示，幫助學(xué)生理解實(shí)際的基因操作技術(shù)和基因工程的核心理論。

4.重組DNA分子的篩選和測(cè)序。重組DNA分子可以在蛋白質(zhì)水平和基因水平進(jìn)行鑒定，蛋白質(zhì)水平鑒定有插入失活雙抗生素對(duì)照篩選和插入失活LacZ基因的藍(lán)白斑篩選等；基因水平的鑒定有PCR鑒定、酶切鑒定、核酸雜交和基因序列分析等。視頻四是在視頻三藍(lán)白斑篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行陽性克隆的PCR檢測(cè)和基因序列分析，并將轉(zhuǎn)化子的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)和陽性克隆測(cè)序結(jié)果展示為圖1。圖中具體顯示了轉(zhuǎn)化子陽性克隆和假陽性的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合陽性克隆菌液的DNA測(cè)序結(jié)果，可進(jìn)一步分析重組DNA分子的基因序列。視頻四中介紹了目前基因及基因組學(xué)研究的前沿技術(shù)———DNA測(cè)序技術(shù)。該技術(shù)長(zhǎng)期以來一直是基因分析相關(guān)研究中最常用的技術(shù)手段之一。測(cè)序技術(shù)在人類基因組計(jì)劃、微生物基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組分析、單核苷酸多態(tài)性分析及基因組學(xué)中的廣泛應(yīng)用，不但使該技術(shù)自身得到了快速、深入的發(fā)展，也最大限度地促進(jìn)了其他生物學(xué)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

5.質(zhì)粒DNA提取和酶切。堿裂解法是常用地從大腸桿菌細(xì)胞中高效提取質(zhì)粒DNA的方法。視頻為了體現(xiàn)質(zhì)粒DNA提取和酶切實(shí)驗(yàn)的有效性，選用試劑盒提取質(zhì)粒DNA，并將提取的質(zhì)粒DNA瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)結(jié)果顯示為圖2。同時(shí)，添加質(zhì)粒及質(zhì)粒載體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的講解內(nèi)容，使學(xué)生能夠了解它們?cè)诨蚬こ讨兴鸬闹匾饔谩７蛛x獲得的重組質(zhì)粒DNA經(jīng)限制性內(nèi)切酶酶切，并經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)能夠確定酶切片段的準(zhǔn)確性（圖2）。

6.農(nóng)桿菌介導(dǎo)的擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化。植物遺傳轉(zhuǎn)化又稱轉(zhuǎn)基因或植物基因工程，研究的關(guān)鍵是利用重組DNA、細(xì)胞組織培養(yǎng)等技術(shù)，將外源目的基因?qū)胫参锛?xì)胞或組織，使之定向重組遺傳物質(zhì)、改良植物性狀、培育新品種。其中，農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是外源基因進(jìn)入植物細(xì)胞最成功和應(yīng)用最廣泛的方法。該視頻主要介紹了農(nóng)桿菌介導(dǎo)的擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化的過程。其中，表達(dá)載體與目的基因連接和帶有目的基因的重組DNA轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌的操作具體可以參照視頻三，因此，在視頻中僅對(duì)農(nóng)桿菌侵染擬南芥植株進(jìn)行了拍攝。

二、課堂討論

重演實(shí)驗(yàn)過程最重要的優(yōu)點(diǎn)是老師和同學(xué)們可以參照實(shí)驗(yàn)視頻，深入發(fā)掘其中的內(nèi)涵、外延知識(shí)。這種教學(xué)方法的最終目的是通過實(shí)驗(yàn)視頻展示及結(jié)果分析，啟發(fā)學(xué)生對(duì)比不同的技術(shù)操作原理，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，并開展相關(guān)問題的討論分析，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決科學(xué)問題的研究技能。因此，課程組在授課過程中除了對(duì)視頻內(nèi)容進(jìn)行整體播放外，還可以對(duì)每部分視頻內(nèi)容進(jìn)行單獨(dú)播放，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入理解。同時(shí)，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排不同的課題討論，并由此引入遺傳學(xué)及基因工程中最新的研究進(jìn)展，豐富和拓寬學(xué)生的知識(shí)面。

1.植物基因組DNA提取和檢測(cè)視頻中，可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比SDS法、CTAB法及這兩種方法結(jié)合在實(shí)際操作中的應(yīng)用，以及瓊脂糖凝膠電泳法和微量核酸蛋白測(cè)定法在DNA濃度檢測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)。讓學(xué)生了解離心操作的重要性和基本的安全操作知識(shí)。

2.視頻二所展示的核心內(nèi)容是PCR技術(shù)，該技術(shù)自20世紀(jì)80年代誕生以來，由于其操作簡(jiǎn)便、技術(shù)可靠，并在體外短時(shí)間內(nèi)可獲得數(shù)百萬個(gè)特定DNA序列拷貝，目前已被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、古生物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的基因研究和分析，對(duì)遺傳學(xué)、分子生物學(xué)及分子遺傳學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。針對(duì)PCR技術(shù)的基礎(chǔ)性和重要性，可以引導(dǎo)學(xué)生深入了解PCR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3.DNA重組技術(shù)是轉(zhuǎn)基因技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)建立于1972年，是在體外重新組合DNA分子，并使其在細(xì)胞中增殖和表達(dá)的遺傳操作技術(shù)。最新研究表明，遺傳轉(zhuǎn)化或遺傳修飾技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了基因編輯的時(shí)代。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，如農(nóng)桿菌介導(dǎo)T-DNA插入法、基因槍法、花粉管通道法等，是將目的片段隨機(jī)插入到基因組中，因而存在對(duì)受體基因組的信息的隨機(jī)破壞和無法控制的缺點(diǎn)。靶向基因編輯技術(shù)能精準(zhǔn)修飾受體基因組位點(diǎn)信息，盡可能小地降低對(duì)受體基因組背景的影響，從而受到廣大生物學(xué)家的青睞。那么，對(duì)于這種新的遺傳修飾技術(shù)有哪些重要的應(yīng)用？目前正在研究和利用的CRISPR/Cas系統(tǒng)有哪些基本特征？機(jī)理是什么？等等問題可以引發(fā)學(xué)生對(duì)前沿科學(xué)知識(shí)的興趣，并進(jìn)行跟蹤學(xué)習(xí)。

4.DNA測(cè)序技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第三代測(cè)序技術(shù)。第一代測(cè)序技術(shù)以Sanger等發(fā)明的雙脫氧鏈終止法為代表[9]；第二代測(cè)序又稱下一代測(cè)序（Next-generationsequencing，NGS）技術(shù)，是真正意義上實(shí)現(xiàn)了高通量的劃時(shí)代測(cè)序技術(shù)[10]。第三代測(cè)序技術(shù)是基于單分子讀取技術(shù)，不要PCR擴(kuò)增，具有可進(jìn)行甲基化識(shí)別，高分辨率檢測(cè)單核苷酸多態(tài)性等特點(diǎn)，在遺傳學(xué)基因定位和復(fù)雜基因組測(cè)序中具有廣泛的應(yīng)用前景[11，12]。

5.針對(duì)不同的目的基因，如何構(gòu)建適合的超表達(dá)載體以及如何構(gòu)建高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系都是要深入探討和研究的問題。除此以外，還可以對(duì)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化與其他遺傳轉(zhuǎn)化方法的對(duì)比分析進(jìn)行課堂討論。由于遺傳學(xué)課程的總課時(shí)數(shù)在很多高校中都一再縮減，所以授課教師可以依據(jù)自己的研究方向以及學(xué)生的接收程度，在課堂討論中對(duì)個(gè)別問題或2—3個(gè)相關(guān)問題進(jìn)行深入探討。

三、學(xué)生意見反饋及對(duì)視頻播放的效果評(píng)價(jià)

1.經(jīng)過遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)和基因工程理論課講解后，課題組對(duì)學(xué)生觀看視頻后的意見進(jìn)行了收集和分析，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對(duì)視頻的制作和內(nèi)容安排都非常滿意，并表示觀看后對(duì)自己很有幫助，尤其對(duì)基因的概念和基因工程的基本操作步驟有了清晰的認(rèn)識(shí)。

2.整體而言，通過遺傳學(xué)理論課的系統(tǒng)講解，視頻播放的效果顯著，對(duì)學(xué)生影響較大。其中，通過DNA重組技術(shù)和DNA測(cè)序技術(shù)及測(cè)序結(jié)果的演示和講解，將前沿科學(xué)技術(shù)引入日常教學(xué)，不但豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生的知識(shí)面，還能最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與科學(xué)研究，實(shí)踐各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，為后續(xù)學(xué)習(xí)和進(jìn)一步的深造奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

針對(duì)分子遺傳學(xué)發(fā)展迅速的現(xiàn)狀，結(jié)合科研工作和實(shí)驗(yàn)室的工作條件，因地制宜，將教學(xué)內(nèi)容中涉及“分子生物學(xué)”和“基因工程”的部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)錄制成視頻，在教學(xué)過程中邊講解邊放映，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的情景中感受、體驗(yàn)對(duì)遺傳物質(zhì)及基因所做的相關(guān)研究，通過獲取直接經(jīng)驗(yàn)來加深對(duì)基本概念的認(rèn)識(shí)和所學(xué)知識(shí)的理解與消化。用短小、精練的6個(gè)小視頻將重點(diǎn)知識(shí)單元串聯(lián)成為一個(gè)完整的體系，為學(xué)生全面了解遺傳物質(zhì)———基因和分子生物學(xué)及分子遺傳學(xué)所進(jìn)行的基因操作奠定了基礎(chǔ)。視頻充分應(yīng)用現(xiàn)代多媒體技術(shù)和設(shè)施，采用重演實(shí)驗(yàn)過程的教學(xué)方法，完整地再現(xiàn)了遺傳學(xué)誕生以來，生命科學(xué)中利用的重要技術(shù)發(fā)明如：DNA重組技術(shù)，DNA測(cè)序技術(shù)及聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)。該教學(xué)過程的實(shí)踐，既能引領(lǐng)學(xué)生了解遺傳學(xué)的前沿知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)遺傳學(xué)的重要概念有深入的認(rèn)識(shí)，又能發(fā)展學(xué)生的個(gè)性，培養(yǎng)其探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。此外，相關(guān)視頻已在《生物技術(shù)概論》課程的基因工程章節(jié)中進(jìn)行了播放，同學(xué)們反響強(qiáng)烈，經(jīng)前期系統(tǒng)的理論介紹后，再通過實(shí)驗(yàn)視頻的回復(fù)播放，將前沿科學(xué)技術(shù)引入日常教學(xué)，不但豐富了教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)形象，還拓寬了學(xué)生的視野，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足。因此，該視頻不僅可以在《遺傳學(xué)》相關(guān)章節(jié)中使用，也可以在生物技術(shù)相關(guān)課程中進(jìn)行使用，同時(shí)為遺傳學(xué)微課和翻轉(zhuǎn)課堂的建設(shè)提供了支撐。最終，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻將教師實(shí)踐的科學(xué)研究引進(jìn)并應(yīng)用于教學(xué)，使研究為教學(xué)所用，彌補(bǔ)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的不足，促進(jìn)教學(xué)與科研的互動(dòng)，為實(shí)驗(yàn)視頻在農(nóng)學(xué)類專業(yè)遺傳學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐和應(yīng)用提供了參考。

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作者：劉鳳樓 劉萍 單位：寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院