在生物学拔尖人才实验教学中推广模式生物斑马鱼

解丽芳， 林宏辉

(四川大学 生命科学学院 生物科学实验教学中心, 四川 成都 610065)

0 引 言

2010 年3 月， 国家教育部启动基于基础学科拔尖创新人才的“国家拔尖人才培养计划”，并率先在清华大学、北京大学、四川大学等全国11所高校试点。我校根据自己的学科优势，将生物作为学科率先试点之一。每年选拔15～20名学生进入拔尖人才班，并使用淘汰制，对学生进行动态化管理。

针对拔尖班学生的培养，除了学院配备高水平专家、学者以及允许学生进入国家重点实验室、国外学习外。我中心作为对拔尖班学生进行基本技能培训的重要基地，根据自己实验设备条件，并综合考虑拔尖人才培养需要，设立了专门的模式生物实验室，将模式生物-斑马鱼引入中心。旨在通过借助拔尖人才培养的契机，开拓本科实验教学新领域，并将拔尖人才培养获得的经验推广应用至全体本科生培养。

1 实验教学中推广斑马鱼的可行性

斑马鱼作为生命科学研究中最重要的脊椎动物模式生物之一，在多门学科中得到广泛应用，并不断涌现新的研究成果[1-2]。为满足创新人才培养需要，我中心将斑马鱼引入本科实验教学当中，那么将这种模式生物引入本科生物实验教学当中是否可行呢？

1.1 斑马鱼的优点及研究现状

斑马鱼作为一种新兴的模式生物，属于脊椎动物，与人类基因有85%相似，因其具有繁殖周期短、易于饲养、产卵量大、胚胎透明、体外发育速度快、实验体系比较完善、精子可以冷冻保存等优点[3-5]，斑马鱼已经成为模式生物家族中重要的一员,受到越来越多的重视和利用。目前斑马鱼被广泛应用于发育生物学、人类疾病研究、神经科学、遗传学、 肿瘤学、药物学、毒理与环保等方面的研究中[6-8]。

随着斑马鱼技术的日趋成熟，国内也建立了多个斑马鱼实验室，目前我国已有250个以上的实验室利用斑马鱼开展有关科研工作，并且成立了“国家重大科学研究计划斑马鱼资源中心”[9]。

1.2 拥有完善的数据库平台

随着斑马鱼研究技术日益成熟，逐步建立起来了非常完善的斑马鱼数据库，常用的有：① 斑马鱼模式物种综合数据库ZFIN，是斑马鱼的核心数据库。收集的信息主要可分为斑马鱼基因信息、相关资源、基因组图谱和作图相关信息、研究工作信息、组织结构的解剖学定义、品系和基因命名规范等工作，是斑马鱼研究工作者最主要的信息平台。② 基因组注释数据库Ensembl,该数据库是由欧洲生物信息研究所和英国sanger研究所共同维护的一个脊椎动物基因组自动注释平台，斑马鱼是其三大核心物种之一。③ 其他斑马鱼常用的物种通用数据库包括Vega 、UCSC Genome Browser、核酸数据库GenBank / EMBL /DDBJ、蛋白数据库UniProt等[10-12]。

1.3 利用已有条件，快速建立斑马鱼实验室

建立斑马鱼实验室所需的仪器设备，如：PCR仪、高速低温离心机、超低温冰箱(-80℃)、凝胶成像系统、紫外分光光度仪、荧光倒置显微镜等在一般的本科生物教学实验室都具备，因此只需在此基础上购置斑马鱼养殖系统，或者直接自制简易的斑马鱼养殖系统，就可以建设完善的本科生斑马鱼创新实验室。

1.4 开设适合本科生学习的综合性、创新性实验项目

斑马鱼相关实验项目，例如：基因过表达，基因敲除、原位杂交、时间表达谱建立等实验项目均非常适合在本科生中开设，这些实验项目涉及斑马鱼饲养、斑马鱼繁殖、分子克隆、无RNA酶(RNAase)操作等实验技术。可以很好地锻炼学生的综合能力及创新能力。

2 我中心开展斑马鱼相关实验的情况

我中心在人才培养过程中，注重对学生创新意识、创新精神、创新能力、团队协作等多方面素质的培养。因此在实验项目选择过程中，更注重实验的综合性、创新性，并兼顾可行性。作为一种模式生物，虽然斑马鱼在科研领域的应用已非常广泛，但是在本科教学中的应用还相对较少。为了更好的满足我中心对创新人才培养的需求，同时考虑到斑马鱼在养殖和研究方面的优势，在中心原有实验设备的基础上，我们建立了一个小型的斑马鱼实验室。在实验室建设完成之后，我们根据自身的实验条件以及课程设置情况，面向拔尖班学生开设了斑马鱼相关的实验项目。这些实验项目均符合创新性、综合性的要求。以下就对这些实验项目作一些简单的介绍：

2.1 斑马鱼养殖与繁殖

斑马鱼作为一种模式生物，养殖条件简单，繁殖速度快，是它最主要的两大优势，这也是我们将斑马鱼引入本科实验教学中的主要原因。为了加深学生对斑马鱼的认识和了解，同时也为了锻炼学生的自我动手能力。我们一改往日教师为学生准备实验材料的教学方法，要求学生自己对斑马鱼进行养殖，对斑马鱼从产卵开始一直到发育到成鱼的整个过程进行追踪。通过这个过程的学习，一方面学生可以掌握斑马鱼养殖技术，了解斑马鱼胚胎各个发育时期的特点，同时也能够锻炼学生的自主动手能力，为学生以后独立进行科研工作奠定基础。

2.2 斑马鱼发育相关基因原位杂交实验

原位杂交技术是斑马鱼基因功能研究中一种常见的实验方法，该方法主要包括：PCR扩增，克隆完整的开放阅读框架；琼脂糖凝胶电泳及扩增片断的胶回收；感受态细胞的制备及T-A克隆；体外转录合成探针；原位杂交等多个实验步骤。通过该实验，学生可以了解和掌握分子克隆、体外转录、细菌接种、细菌传代、RNA free操作技术等实验方法。通过这个实验项目的学习，可以很好地培养学生的科学思维方式，激发学生学习的积极性和主动性[13]。

2.3 斑马鱼发育相关基因时间表达谱构建实验

斑马鱼发育相关基因时间表达谱构建实验，在科研活动中经常与斑马鱼发育相关基因原位杂交实验同时使用，通过这两种实验技术的相辅相成，可以快速获取未知基因时空表达谱，了解目的基因的表达是否具有组织特异性，从而推测基因可能的功能[14-15]。

该实验主要涉及：发育相关基因引物设计；PCR扩增，克隆完整的开放阅读框架；琼脂糖凝胶电泳及扩增片断的胶回收；感受态细胞的制备及T-A克隆；斑马鱼早期发育各时期胚胎收集；各发育时期胚胎总RNA提取；用RT-PCR检测不同时期的基因表达水平；琼脂糖凝胶电泳显示结果等步骤。通过该实验项目的学习，学生可以掌握引物设计、分子克隆、细菌接种、细菌传代、总RNA提取、RT-PCR、RNA free操作技术等实验方法。该实验项目在学生中开设之后，取得了很好的教学效果。

2.4 TGF-β对斑马鱼胚胎发育的影响

该实验利用小分子化合物SB-431542可以对Nodal信号的Ⅰ受体发挥阻断作用的特性，收集不同发育时期的胚胎，用SB-431542进行处理，阻断Nodal信号转导，使胚胎出现类似突变体MZoep或Zoep的表型，观察Nodal信号通路对中胚层发育的影响，使学生了解细胞信号通路在细胞分化和胚胎发育中的重要作用。

该实验项目主要涉及斑马鱼繁殖、不同发育时期胚胎收集、SB- 431542处理各发育时期细胞、显微观察等过程。在我中心以往的教学过程中，没有开设有关信号通路的实验项目，学生对信号通路的了解更多地是一种空洞的想象，通过这个实验项目的开设，可以使学生更直观了解信号通路的相关知识。

3 结 语

斑马鱼作为发育生物学的重要模式生物之一，因其多方面的优点，在科学研究中受到越来越多的关注。并且由于其作为一种脊椎动物，与人类基因具有高度同源性，更是增加了科研工作者对其的研究热情，以斑马鱼为材料的研究成果越来越多，并因此加深了对脊椎动物发育机制的认识。

我中心响应教育部号召，重视人才创新精神、创新意识、创新精神、创新能力、团队协作等多方面素质的培养。考虑到中心的设备与人员优势，将斑马鱼这种热门的模式生物引入了本科拔尖人才实验教学中，并设置了一系列以斑马鱼为研究对象的创新性、综合性实验项目。在为拔尖班学生开设过程中，拓展了学生的知识面，使学生了解了以前没有接触过的实验材料和实验技术，对学生创新能力、自主能力、协作能力起到了很好的培养效果。

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