借助科研平台开展基因工程实验课教学改革探索与实践

赵燕+黄丽华+张学文

摘要 基因工程实验是基因工程课程教学的重要环节。本文基于对基因工程实验教学内容的整合和优化，借助科研平台优势进行基因工程实验教学改革探索与实践，分析了教学改革成效与存在的不足，并提出相应建议，以期调动学生的学习兴趣、培养学生的科研素质、提高基因工程实验课程教学质量。

关键词 科研平台；基因工程；实验课程；教学改革；成效；建议

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0276-03

Exploration and Practice of Genetic Engineering Experiment Teaching Reform with Help of Scientific Research Platform

ZHAO Yan HUANG Li-hua ZHANG Xue-wen * LI Jian

（College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128）

Abstract Genetic engineering experiment is an important part of genetic engineering course teaching.In this paper，based on the integration and optimization in genetic engineering experiment teaching content，exploration and practice of teaching reform of genetic engineering experiment was carried out with the advantage of scientific research platform，the results and shortcomings of the teaching reform were analyzed and the corresponding suggestions were put forward，so as to arouse the students′ interest in learning，cultivate the students′ scientific research quality and improve the teaching quality of the genetic engineering experiment course.

Key words scientific research platform；genetic engineering；experiment teaching；teaching reform；result；suggestion

以DNA重組技术为基础的基因工程操作是当今分子生物学研究的关键技术，基因工程作为一门实践性和技术操作性都很强的课程，已经成为国内外高校生物技术、生物科学、生物工程、生物信息学等生物科学类本科生的核心主干课程[1-3]。而基因工程实验教学是基因工程课程教学的重要内容，课程教学的目标更着重于培养学生掌握基因操作的技术，具备基因操作的能力。

随着功能基因组时代的研究成果日新月异、基因编辑等研究热点和新技术的出现，对生物技术人才的培养也提出了更高更新的要求，这一现状使得国内各高校都加强了对基因工程及其实验课程的重视程度，不断探索新的教学内容和方法[4-5]。在校级精品课程和实验教学改革项目的支持下，经过几年的探索和实践，对基因工程的实验教学内容加以优化，在设置课程实验的基础上，开设出连续性的综合实验，结合教学方法及教学组织形式上的改革，使基因工程实验课程教学更有利于核心技能的学习和掌握，培养了学生的研究性学习能力，提高了基因工程实验课程教学质量[6]，已取得阶段性成效。

为适应基因工程技术飞速发展的形势，合理构筑学生理论和实践知识结构，使学生在有限的课时内掌握完整的基因工程实验操作技能，在上述教学改革的基础上，近3年借助于科研平台建立成熟的拟南芥、烟草、烟草BY2细胞系等植物的转基因技术体系。同时，依靠学校对本科生基因工程课程教学项目建设的支持，从2014年开始，尝试将拟南芥、烟草、烟草BY2细胞系等模式植物的遗传转化引入本科生基因工程实验教学项目，利用基因工程综合实验中构建的多个植物表达载体，完成一系列系统完整的转基因操作实验。目前，这个实践项目已经实施了 3年，取得了可喜的成效，积累了可行性的经验。

1 转基因受体材料的选择

在转基因受体材料的选择上，考虑学生对转化结果鉴定的直观性和时效性，分别选择了3种植物材料：①拟南芥（Arabidopsis thaliana），为十字花科芸苔属草本植物，属自花受粉植物，一个生活世代只需60 d左右，植株小、收获的种子多，容易获得各种代谢功能的缺陷型，可以在培养皿灭菌条件下进行相关性状的筛选，其基因组小且基因高度纯合，便于遗传分析。②烟草（Nicotiana tabacum L.），是茄科一年生或有限多年生草本植物，作为最早用于植物组织培养及植株再生的模式植物，其繁殖系数大、抗病毒能力强、生长旺盛，非常适宜于开展遗传转化和瞬时表达实验。③烟草BY2细胞（Nicotiana tabacum L.cv Bright Yellow 2，BY2）是生物学研究中非常重要且应用广泛的模式植物细胞，该细胞系具有高度的同一性，并且生长迅速，容易获得具有高度同周期性的细胞，1周内可以增加80～100倍，易于在实验室内培养繁殖和进行转基因实验操作，且转基因细胞团和悬浮培养细胞都较易得到，其转化结果可通过荧光显微镜迅速观察，便于转基因结果分析。选择上述3种材料进行外源基因的转化操作，可以让学生以3种不同形式的受体类型（拟南芥植株、烟草叶盘组织器官、烟草BY2细胞系），掌握不同的遗传转化方法，分析不同类型的转化结果。endprint

2 教学改革探索与实践

基因工程课程通常安排在本科第6个学期开设。此前学生已经完成了生物化学、细胞生物学、分子生物学和普通遗传学等基础专业课程的学习。

2.1 基因工程综合实验的设计思路

将教师科研项目中研究比较成熟的部分改造成符合实验教学要求的综合性实验项目，以基因表达框为基础，引入启动子和报告基因2个元件，实验内容从构建含有外源目的基因的重组表达载体开始，主要包括重组表达载体的构建、重组表达载体及空表达载体的转化、菌落PCR及酶切鉴定、工程农杆菌的制备及受体材料的遗传转化、转基因材料的筛选鉴定。

2.2 改革措施

前期的课程改革，对基因工程的实验内容进行整合和优化，将20个学时的课程实验和1.0～1.5周的综合实验设计成两大板块。一是上游操作包括目的基因的分离纯化、载体的制备、重组分子的构建、筛选及检测等。利用20个学时的课程实验，使学生掌握大肠杆菌等细菌的培养、基因组DNA提取、琼脂糖凝胶电泳、PCR 扩增目的基因、DNA的酶切与回收纯化、目的基因与载体的连接、感受态细胞的制备与转化等基础的分子生物学实验技术。二是下游板块则在1.0～1.5周的综合实验期间与科研项目联系起来，综合为系统的、连贯的系列综合性实验。

2.3 典型案例

以模式植物拟南芥为例，具体过程如下。实验使用2种启动子的表达载体，一是组成型启动子CaMV35S，二是参与花粉形成的调控并可在心皮进行异位表达的组织特异表达启动子AtTPD1pro，报告基因为GUS（β-葡萄糖苷酸酶基因）。以pCAMBIA1301-35S：：GUS载体为基础，学生利用所学的DNA重组操作技术，将AtTPD1pro启动子替换掉组成型CaMV35S启动子，最终可得到2个载体pCAMBIA1301-35S：：GUS、pCAMBIA1301-AtTPD1pro：：GUS，转化根癌农杆菌制备遗传转化的工程菌。采用经典的浸花序法转化模式植物拟南芥，实验设置非转基因材料对照和农杆菌空载对照。通过对转基因T0代种子的筛选及转基因植株的GUS基因组织化学染色鉴定，转化pCAMBIA1301-35S：：GUS载体的转基因植株在各组织器官均有不同程度的GUS活性表达，而转pCAMBIA1301-AtTPD1pro：：GUS载体的转基因植株只在其花器官的雄蕊中有GUS活性表达，学生通过肉眼或实体显微镜观察材料的染色情况，可以非常直观地判断外源基因是否整合和表达成功，比较组成型启动子35S和组织特异性启动子AtTPD1pro在基因表达上的差异，让学生直观地了解并掌握基因表达框中各个元件的作用。

在此基础上，还将教师科研中利用生长素响应原件（DR5）构建的pBI121-DR5：：GUS、pBI121-DR5（Ω）：：GUS等重组表达载体，通过农杆菌侵注（注射叶片）烟草叶片瞬时表达检测法，将2个载体分别转化烟草，2 d后切下侵染的叶盘进行GUS染色分析，学生发现pBI121-DR5：：GUS的转化叶片有明显的蓝色印迹，pBI121-DR5（Ω）：：GUS的转化叶片却无蓝色印迹，其原因是GUS基因原有的5′UTR被来源于烟草花叶病毒的5′端序列（Ω）替换，该实验让学生真正理解了mRNA的有效翻译是真核细胞基因表达的关键步骤，即GUS的5′UTR序列在真核细胞中对mRNA翻译起始的调控有重要作用，（Ω）序列即使是一种植物增强基因表达的常用原件，但如果该序列的插入破坏了原有基因的表达框架仍然不能有效提高GUS基因表达。同时，开发的烟草BY2细胞系的遗传转化也是综合实验中学生愿意选择的一种重要的遗传转化方法。分泌载体蛋白SCAMP2（Secretory Carrier Membrane Protein 2）广泛分布于细胞质膜及细胞内膜系统，具有组成型的特点，直接参与膜泡运输及跨膜活动，因而可以作为膜泡运输研究的合适标记。以分泌载体蛋白基因 SCAMP2与绿色荧光蛋白基因GFP融合构建重组表达载体，采用根癌农杆菌与烟草BY2 细胞系共培养转化法进行遗传转化，通过对转基因和非转基因BY2细胞系的荧光显微观察，学生直观地观察到GFP在细胞核附近、细胞基质内、细胞质膜及2个细胞间隔的组成型表达，而非转基因的对照材料在荧光显微镜下却没有GFP的激发。

上述3種类型的遗传转化实验在实验周同时开展，学生根据课前实验设计的方案和兴趣选择不同的实验转化小组，为避免学生选择实验类型的不均衡，担任课程的2位实验教师负责协调，统筹合理安排每类实验的人数，全班分成8～10个实验小组，运用3种类型的重组表达载体转化3种不同的受体材料。实验总课时为1.0～1.5周，为了这一综合实验项目的顺利开设，在生物学实验中心专门为本科生建立了植物生长驯化室，加之已有的无菌操作室、组织培养室、显微镜观察室等。3年来，共对2012级、2013级、2014级生物技术、生物工程、生物科学3个专业16个班约540名学生开设了这一综合实验。实验操作时，每个实验班27～30人，学生每3个人分成一组操作，转基因材料的管理和培养、种子收集、转基因阳性后代的筛选鉴定等操作均由课程任课教师全程跟踪指导，学生以组为单位负责完成，形成了以学生为主体、教师为主导的实验教学模式。实验课程改革还与基因工程理论课课程教学方法改革的重点项目结合在一起，利用翻转课堂教学模式带领学生参观与科研平台的协作单位湖南省棉花科学研究所的转基因棉花基地，开展现场课程教学，学生通过参观资源圃，考察和调查转基因抗虫棉花田，了解了转基因抗虫棉的选育历程以及目前在生产中的应用情况。现场教学以转基因抗虫棉为事例，以生产现场为教学场景，具有极为生动的教学效果，提高了学生的响应度和参与积极性。

3 教学改革成效

将教师科研材料引入本科生基因工程实验教学，实施3 年来成效十分明显。一是这种多形式开放性的教学模式极大地激发了学生的实验兴趣和学习热情，通过实验提高了学生的团队意识和工作责任感，锻炼了学生从事科研工作必须具备的基本素质，且增强了学生之间的友谊和班级的凝聚力。二是通过农杆菌介导的拟南芥浸花序法、农杆菌介导的侵注（叶片注射）烟草叶片瞬时表达检测法、农杆菌与烟草BY2细胞系共培养转化法等不同的遗传转化方式的综合实验，学生亲身经历从载体构建到质粒提取、受体准备、各种遗传转化方法的具体操作和转基因表型鉴定等各个环节的实践操作，使学生们对基因工程操作的完整流程了然于心，通过实践加深了对理论课知识的认识和理解。三是转基因烟草瞬时表达的检测方法快速方便，鉴定直观，当学生完成转基因操作2 d后，即可通过GUS组织化学染色，鉴定转基因材料的结果。通过实体显微镜下染色部位观察的差异性，明确地比较组成型启动子和组织特异性启动子驱动基因表达的不同功能，使学生消除了对转基因的神秘感，增强了学生从事基因工程操作的自信心。四是3种不同的遗传转化方法和转基因后代表型鉴定操作相对简便、成功率高、时间短、操作可行性强。3种转化方法都是科研平台已建立的非常成熟的转化体系，实验中通过教师和平台研究生的指导，转基因后代的阳性率均较高。endprint

4 教学改革存在的不足及建议

4.1 实验方案的设计和选择方面

实验方案和技术路线是实验实施的蓝本，等实验周开始再让学生进行实验设计，将会占用较多的实验时数而影响实验进程。因此，从上理论课和课程实验课开始就着手安排学生通过课程的数字化教学平台、微信教学平台及网络资源查找相关文献资料，熟悉实验目的、设计要求和实验内容，学生以3人为1个实验小组，利用课外时间进行实验设计，2位任课教师和学生共同对每个实验小组展示的实验方案进行点评论证。通过实验设计环节使学生在讨论式的学习中有序梳理知识点，最终的实验方案是经点评论证后的优化方案，每位同学对后续的综合实验内容有一个初步了解。

4.2 实验实施与实验课时的安排方面

实验实施集中在1.0～1.5周的综合实验周，而植物遗传转化实验完成后，转基因材料的后续培养、成熟、收种及转基因材料的最终鉴定，由于每个小组的材料各异，时间上无法统一，有些实验在规定的时间内还无法完成。为解决这一矛盾，实行了包括周末在内的全天候开放实验室的措施，学生利用课余时间完成后续工作，同时任课教师轮值在实验室实时指导学生。虽然这种工作模式较繁琐且占用了教师和学生的课余时间，但由于整个实验过程都是学生在实施自己的设计方案，且综合实验内容的延展完成可以作为其毕业论文，因而学生利用业余时间完成实验的积极性较高。综合实验全部完成后，教师召集全班同学集中总结，各抒己见，增强了学生做实验的成就感、兴趣和信心，激发了学生的学习主动性。

4.3 实验过程的管理方面

连续性的综合实验因专业不同，每个班时间为1.0周或1.5周，耗时长，实验材料多，实验操作涉及植物生长室、组培室、无菌接种室、显微镜室、离心机室、凝胶成像室等多个专业仪器室和实验室，给实验教师的管理带来一定难度。因此，在排课时与教务处协调，尽量不与其他课程冲突时间，实验周期间全天候开放实验室，课余时间任课教师轮值，保证实验实施的有序进行。

4.4 实验经费的支持方面

学院实验中心是省重点实验室，前期的课程教改建设已根据教学内容对仪器设备进行配套，添置了先进、实用的新设备，提高仪器档次和自动化程度，为基因工程实验课程的开设和实践教学搭建了坚实的平台。但新型实验的开发和实施需要一定实验经费的支持，原有的实验经费不能满足需求。因此，积极申报课程改革项目，引导和鼓励学生申报大学生科创项目，同时争取科研平台的实验材料支持，使经费缺口得到了较好的解决。

5 结语

总之，改革后的基因工程综合实验，让学生亲自参与实验设计，将教师科研材料引入本科生实验中，使学生非常直观地理解掌握了基因工程的操作过程，激发了学生对科学研究的兴趣，培养了学生良好的科研素质，训练了学生严谨的实验习惯，为其进一步深造打下了良好的基础。多名考研成功的学生反映综合性实验的开展，使其对基因工程的实验原理、技术操作流程有了深刻的理解和掌握，实验技能得到了良好的训练，使其在研究生面试时得到导师的深度认可。另外，在课程组教师指导下，近年有逾40名学生成功申请了国家级、省级、校级大学生创新研究项目的立项支持，其实验结果发表研究论文逾10篇。教师的辛勤付出也得到学生的高度认可，在学校对教师的评教体系中学生对教师的评教获得了全优。

经过近3年的探索和实践，开发教师科研材料引入本科生基因工程实验课教学取得了一定的成效，构建了一个课程教学和科研平台相结合的课程教学模式和体系，也为培养具有创新能力、高素质的复合型人才做出了有益的尝试。

6 参考文献

[1] 王忠华，斯越秀，俞超，等.“基因工程实验技术”教学改革与探索[J].中國电力教育，2013（4）：136-140.

[2] 张万方，孙寅玮.分子与基因工程综合实验的教学改革[J].新乡学院学报，2015，32（6）：74-76.

[3] 朱常香，王芳，李滨，等.一体化生物技术专业实验课程体系的构建与实践[J].实验室科学，2016，19（3）：76-78.

[4] 郜刚，李卉，智艳平，等.基因工程实验课程改革探析与实践[J].实验科学与技术，2015，13（1）：6-59.

[5] 赵春梅，薛仁镐，郭宝太.基因工程实验教学的改进与问题剖析[J].教育教学论坛，2015，50（12）：256-257.

[6] 赵燕，黄丽华，张学文.基因工程实验课程教学内容的优化与实施[J].教育探索与实践，2010，6（9）：15-17.endprint