生命科学与技术前沿中基因工程教学之我见

施海涛　方娇　陈银华

摘 要： 在现代生命科学与生物技术高速发展的背景下，针对高等教育农学与生命科学专业的必修课程生命科学与技术前沿中基因工程的教学现状及学生们学习积极性不高的问题，作者所在单位通过集中各专业丰富教学和科研经验的教授，结合自身教学实践和在科研一线的经验，对教学内容和教学方式进行了与时俱进的改革探索，取得了较好的教学效果，大大开阔了学生们的眼界和思路，提高了他们对生命科学的兴趣。

关键词： 生命科学与生物技术 课程改革 教学效果

21世纪，生命科学与技术已经成为世界科学前沿最活跃的学科之一，特别是其中的基因工程，代表和引领着科学发展的最新方向。随着各种新理论、新概念、新技术和新方法的不断涌现，部分生命科学与技术专业课程的设置和内容明显落后于现代科学的发展，很多先进的技术方法和新理论不能及时地走进课堂，使学生们缺乏对高新技术发展对社会进步和日常生活影响的认识，影响了他们科学价值观的形成。

笔者所在单位设置了生命科学与技术前沿中基因工程讲座课，由具有丰富教学经验和科研经验的教授共同承担，介绍各相关领域基因工程的基本原理方法、新理论、新概念、新技术、新方法和最新的研究进展等。通过该课程改革，取得了较好的教学效果，大大开阔了学生们的眼界和思路，也提高了他们对生命科学的兴趣，培养了他们的科学思维和科学价值观。

一、突出科学目标的教学内容

第一，选择10余位具丰富教学经验和科研经验的教授共同承担课程，介绍各相关领域基因工程的10余个专题，涵盖多方面的基本原理方法、新理论、新概念、新技术和最新的研究进展等，让学生们了解各个研究方面，从而较早培养他们的研究兴趣，有助于以后考研选择研究方向。这些专题包括：现代生命科学百年之旅——现代生命科学大事件，人类肠道细菌相关的基因组学，植物抗病功能基因组学，人兽共患寄生虫病：寄生虫-媒介生物-宿主的相互作用，植物磷素营养：原理与进展，植物盐害及其抗盐性机理，植物免疫受体研究，葡萄抗病分子机制，植物受体激酶的结构生物学研究，蛋白质泛素化及泛素化介导的激素信号，能源植物的研发现状及其遗传改良等。

第二，通过大量举例向学生们介绍各方面的理论知识，采用图片、动画和小视频等形式，同时将一些经典的科学发现过程和故事融入教学内容。

第三，强化教学内容的整体性、系统性和前沿性。在教学中兼顾各个研究领域，从形态分类到生理生化，从微观到宏观，从细胞水平到分子水平，从微生物、动植物到人类，从生物信息学到基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学，从而保证教学内容的完整性。要体现教学内容的系统性，包括基础理论研究专题，基础应用研究和应用开发研究。还要保证课程内容的前沿性，有助于向学生们展示研究结果和方向，也有助于学生们了解各个领域的动态发展前沿。

第四，在教学中注意基础与前沿相结合、学术与现实接轨、理论与实验相结合。下面我们就这些方面作详细的探讨。

二、基础与前沿相结合

RNA干扰（RNAi，RNA interference），笔者从该技术的定义、反应过程、技术应用与最新发展介绍。RNAi是由双链RNA所诱导产生的同源mRNA的降解现象，广泛存在于动物、植物、真菌等生物中，往往使目标基因在转录后发生沉默。该现象在动物中被称为RNA干扰，在植物中被称为转录后的基因沉默。这一机制是一个非常保守的机制，一般被认为是在生物生长过程中与病毒作斗争而长期保存下来的一个非常古老的机制。RNAi技术就是利用RNAi原理，人工的合成小RNA分子，或者利用一些载体的构建（由同时表达的同一基因序列sense RNA和antisense RNA所形成的双链RNA）和转化在体内形成特定的小RNA，造成已知的目的基因的沉默的技术，也被称为转录后抑制。近来，在动物和植物中利用人工合成microRNA（artificial microRNA，amiRNA）的RNAi技术已成功，这一技术的原理是利用amiRNA替代特定的内源microRNA前体中的核心序列，随后在体内形成特定的microRNA，进而抑制相应基因的表达。

CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是最新出现的一种由RNA指导的Cas9核酸酶对靶向基因进行编辑的技术。CRISPR/Cas9是细菌和古细菌为应对病毒和质粒不断攻击而演化而来的获得性免疫防御机制。在这一系统中，crRNA（CRISPR-derived RNA）通过碱基配对与tracrRNA（trans-activating RNA）结合形成双链RNA，此tracrRNA/crRNA二元复合体指导Cas9蛋白在crRNA引导序列靶定位点切断双链DNA。CRISPR/Cas9的优点是操作简单，对基因组的效率高。需要对某一个靶位点编辑的时候，只需要表达相应的sgRNA即可，不需要对Cas9核酸酶进行改造。CRISPR-Cas系统已经成功作为一种工具，在动物和植物细胞中执行高效、高特异性的全基因组筛选，在增强靶标特异性方面取得了巨大的进步，为寻找人类健康和疾病相关的基因功能及作物产量与抗性相关的重要基因功能，带来了无限的可能性。

三、学术与现实接轨

中国地大物博，有丰富的各类资源，那么农学方面呢？笔者在课堂中以日常中最常见的农作物水稻为例，说明野生稻遗传资源是开展水稻遗传育种和生物研究的物质基础，亦是粮食生产发展的宝贵财富。中国是野生稻资源最丰富的国家，南起海南三亚，北至江西东乡县，东起台湾省，西至云南省盈江县都发现过野生稻。现代栽培稻相对普通野生稻，丢失了大量优异基因，有抗病、虫、杂草及抗逆基因，也有高效营养和高产优质基因。袁隆平先生选育的杂交稻继承了普通野生稻的高产优质基因。

如何利用我国丰富的野生种质资源，特别是植物资源？（1）从某一物种的大量种质资源库中筛选获得品质优良和抗性较强的品种可以直接应用；（2）利用抗性差异较大的品种，通过关键位点的定位或全基因组关联分析得出控制某些性状的主效基因，进行功能验证后通过分子设计改良间接应用；（3）利用差异较大的品种，通过各种组学的比较分析，分离鉴定并验证这些差异表达基因或代谢物在这些性状调控中的作用。

最后，笔者在课堂上与学生探讨了转基因的安全性问题，让他们正确认识现代新兴技术，并应用科学的思维态度正确应对各种流言。此外，一些不涉及食品安全的转基因植物，更是容易得到绝大多数人的认可。比如：⑴花青素衍生物呈红色，翠雀素衍生物呈蓝色等。在黄酮类色素的生物合成途径中，苯基苯乙烯酮合成酶（CHS）是一个关键酶。利用反义RNA技术可有效抑制矮牵牛花属植物细胞内的CHS基因表达，使转基因植物花冠的颜色由野生型的紫红色变成白色，并且对CHS基因表达抑制程度的差异可产生一系列中间类型的花色。（2）转基因抗虫棉的大规模产业化应用。昆虫对农作物的危害极大，全世界每年因此损失数千亿美元。目前对付昆虫的主要武器仍是化学杀虫剂，不但严重污染环境，而且诱使害虫产生相应的抗性。将抗虫基因导入棉花是植物基因工程的得意之笔，能避免化学杀虫剂所造成的许多负面影响。目前，抗虫作物已占全球转基因作物的22%，用于构建抗虫害转基因植物常见的外源基因有苏云金芽孢杆菌的毒晶蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、凝集素基因、脂肪氧化酶基因、几丁质酶基因、蝎毒素、蜘蛛毒素基因等40多个，其中毒晶蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因和凝集素基因应用最广泛。

四、理论与实验相结合

近年来，随着水稻全基因组测序工作的完成，水稻基因组研究目前已进入后基因组时代，反向遗传学的研究策略必不可少，一些高效的生物学研究技术也被大量应用，如基因差异表达分析、基因标签技术、基因的超量表达和RNA干扰等。那么农杆菌介导的水稻胚性愈伤转化技术即水稻转基因技术是怎么操作的呢？一方面，笔者讲述了愈伤组织的培养、农杆菌转化、抗性愈伤组织筛选及分化、生根成苗的整个实验操作过程。另一方面，笔者让学生们实地参观了植物组培室中处于各个时期的水稻转基因过程，并亲身体验了部分实验操作过程，让学生们了解到转基因水稻是如何产生的。

在教学中提出问题，通过课程教学和学生阅读相关资料解决问题。随着基因组测序的完成，出现了大量的基因序列数据，势必要求人们对这些基因进行功能鉴定。比如植物体内基因的功能有两大方法，一是基因功能丧失，即筛选目的基因功能部分丧失或全部丧失的突变体，比较其与野生型的差异确定该基因的功能；二是基因功能增加，即筛选目的基因高水平表达的植株即功能增加植株，比较其与相应对照植株（野生型植株，功能丧失突变体）的差异，分析基因功能。

此外，在教学中还向学生介绍相关实验的研究方法，比如植物对胁迫的抗性评价方法，包括胁迫下植物的生长情况与生物量、叶片损伤程度与叶绿素含量、光合作用效率、存活率、产量、快速卷叶、气孔关闭、高水分利用率、厚角质层、渗透调节能力、耐脱水性、膜稳定性、根系生长及活力、K■/Na■比等。

五、课堂教学与课外兴趣结合

传统的课堂教学是各种教学的主要方式，它往往只是让学生储存知识的过程，通过教师的独自灌输，让学生被动地接受和学习，往往逻辑思维能力低下。因此，在课堂教学过程中，需要调动学生的主动逻辑思维能力，主要通过设计一些学生感兴趣、愿意主动进行思维的问题。本课程主要是生命科学与技术前沿介绍，在课堂教学之后，要求学生主动上网查阅相关资料，拓宽视野，对感兴趣的领域进一步了解。同时，对一些很多学生都感兴趣的专题展开分组讨论，让每位同学都畅所欲言，展示自己的观点。在课程结束时，让每位学生对自己感兴趣的专题查阅相关资料，做一个5-10分钟的PPT，在老师同学面前讲解出来，并展开讨论。

通过学习和借鉴不同老师和学科的现代教学理念，不断改进了教学方式和课程考核方式，开阔了学生们的国际视野，启发了本科生和研究生的科研思路，增强了他们的创新意识并进一步发展了他们的创新能力。同时，通过课程教学，可以培养一批具有较好的教学效果、较高教学水平、能够参相关国际学术交流的中青年优秀骨干教师。

参考文献：

[1]郭桂英，郑继平，陈银华，汤华.生物技术专业建设构想。海南大学学报自然科学版，2008，4：389-392.

[2]裔传灯.《基因工程》课程教学改革的几点体会.中国科教创新导刊，2008，30：104-105.

[3]汤华，向福英，陈银华，谢俊.研究生创新型实验课程建设的问题与对策.海南大学学报（自然科学版），2012，1：87-91.

[4]郭慧琴，尹俊.“基因工程”课程教学改革的初探.内蒙古农业大学学报（社会科学版），2013，15（69）：109-111.

[5]饶力群.植物分子生物学技术实验指导.北京：化学工业出版社，2013.

[6]魏群.分子生物学实验指导.北京：高等教育出版社，2007.

感谢海南省高等学校科学研究项目——教育教学改革研究项目（题目：基因工程海南省精品课程体系与教学内容整体优化研究，批准号：Hnjg2016-10）和海南大学教育教学研究课题立项项目（题目：基因工程海南省精品课程体系与教学内容整体优化研究，批准号：hdjy1601）的资助。