基因工程理论案例教学探索——以转基因植物为例

廖静静

（长江师范学院 现代农业与生物工程学院，重庆 408100）

基因工程作为生物技术中发展速度最快、创新成果最多、应用前景最广的一门核心技术，是当今生命科学领域中最具生命力、最引人注目的学科之一[1]。该学科以分子生物学和遗传学等学科为基础，以改造生物遗传性状为最终目标，是高等教育阶段生物专业集理论与实践为一体的综合性必修科目。然而，目前基因工程理论课程在教学过程中仍存在较多问题，主要体现在以下两个方面：（1）随着理论和技术的发展，产生出许多新原理和新技术，而教材的更新速度较慢，不能满足该课程贴近科技前沿教学的需求；（2）基因工程技术和原理的理论教学复杂度高，知识点分散，按教材章节教学往往枯燥乏味，难以激起学生的学习兴趣，使得学生对该门课程的学习重视度不高，且不能在科研训练和毕业论文中有效运用[2]。针对这两个问题，积极推进案例教学有望改善教学现状，提高教学成效，提高学生学习兴趣，并增强学生解决复杂问题的意识。

案例教学即根据教学目的要求，对典型案例进行详细分析、思考、讨论等，分析案例中体现的事件原因、待解决的关键问题、解决方案的设计及验证等[3]。通过案例教学，能使学生形成感性和理性认识，是高效转化理论知识的手段之一。在基因工程理论教学中，根据不同模块教学内容，即大肠杆菌基因工程、酵母菌基因工程、植物基因工程和动物基因工程，选择从难到易、从传统到现代的典型案例，详细分析案例的背景、待解决的关键问题、解决方案的设计及验证等，让学生在案例学习中回顾和应用所学理论知识，开拓思维。

案例教学具有生动具体、直观易学的特征，易激起学生的学习兴趣，激发学生思考，并将深奥难懂的理论知识运用到实际，使理论与实际联系更紧密，提高学生学习的成就感[3]。最重要的是，每一个案例都是一个完整的从发现问题、分析问题到解决问题的闭环，能培养学生的科学思维、逻辑思考等学术习惯。因此，本文以转基因植物为例，探索基因工程理论的案例教学实际。

1 转基因植物及案例资源

基因工程技术在农业领域广泛应用，转基因农作物不仅缓解了人口持续增长和耕地面积持续减少等引起的粮食安全问题，还减少了化肥农药的施用，保护了生物多样性，为农业的可持续发展作出了贡献。此外，通过转基因技术使一些园林植物定向获得不同花色、叶色和株型等新性状，增强观赏性，也丰富了人们的精神生活。第一例转基因植物是1983年的转基因烟草，随后转基因植物迅速发展，截至2017年，全球已有近30种转基因植物，近500个转基因植物品种/品系被批准商业化种植，包括27个转基因作物和3个花卉，为基因工程转基因植物的案例挖掘提供了丰富的资源[1]。本文选择3个转基因植物的案例进行教学探讨，这3个案例难易程度不同，侧重的技术手段也有一定的差别，能在一定程度上拓展学生思维，提高学生的科研素养，并紧跟国际研究前沿，激发学生兴趣。

1.1 羟基脂肪酸积累（拟南芥）

该案例为2006年发表于《The Plant Journal》的期刊论文[4]，虽然发文较早，但其系统和详细的研究思路至今都值得相关研究人员借鉴和应用，有助于培养学生严谨的科研思维，形成成熟适用的研究模式。该文利用基因工程技术改造拟南芥FAH12突变体，旨在获得羟基脂肪酸含量更高的转基因拟南芥种子。其研究是基于工业脂肪酸需求的增加，而单一基因的转基因植株产生的种子中所需脂肪酸无法满足工业需求，在这一矛盾背景下，深入挖掘能显著促进油籽中羟基脂肪酸积累的相关基因。为实现高通量、快速的筛选，本文以发育中的蓖麻种子为材料，构建全长cDNA文库；将该文库与入门载体进行连接克隆，再通过同源重组的方式与双元载体进行连接；cDNA文库转化农杆菌后，利用鸟枪法转化拟南芥植株；最终通过观察荧光大量筛选转基因植株，同时利用PCR扩增技术对转基因植株进行分子检测，采用气相色谱技术对转基因拟南芥种子中羟基脂肪酸的含量进行定量分析；在完成这一筛选后，对获得的能显著促进拟南芥种子羟基脂肪酸积累的cDNA，进一步进行再转化功能验证（见图1）。

图1 高通量筛选促进转基因拟南芥种子羟基脂肪酸积累的蓖麻基因

（1）在介绍这一案例时，首先提出该研究的背景是工业生产的需求，即符合“一切从实际出发”的原则，鼓励学生从生活、科研和学习中发现关键问题。（2）该案例将蓖麻种子的cDNA文库转化转FAH12基因的拟南芥，说明在当时，科学家已经明确羟基脂肪酸的合成受FAH12编码产物的催化，而待解决的科学问题是“哪些基因能与FAH12一起促进羟基脂肪酸的积累”。因此，在提出问题之后，需要搜集、阅读和整理相关的研究基础和最新的研究进展，有依据地提出研究方案。由此，提醒学生注意基础理论知识的掌握和思考，一切实施的基础都基于扎实的理论依据。（3）该案例在载体构建、cDNA文库构建及转基因拟南芥的筛选过程中，都采用多种技术手段从不同的角度去证明同一个问题，且最终获得转基因植株后再一次对cDNA进行克隆和再转化，以进一步验证基因功能。这些操作，则是提醒学生，科学研究需要不断的验证，从不同水平（组织水平、细胞水平、代谢水平和分子水平等）、不同方面对研究结果进行验证，才能得到最终的结论，未经验证的试验结果经不起科学的深究。重点提醒学生在参与科研项目和进行毕业论文试验时，也应对自己的试验结果尽可能进行多方面验证，保证试验结果的准确性和科学性。（4）在案例讲解过程中，除介绍作者的研究思路外，对其中涉及的主要技术进行简单的回顾，并结合该案例的操作方式进行介绍。

1.2 荧光蛋白的表达（矮牵牛）

该案例为2018年发表于《Scientific Reports》的期刊论文[5]。该案例的特色是在观赏植物中应用荧光蛋白，提高园林植物的观赏性，同时该技术也能用于基础研究。为进一步拓宽学生视野，激发学生的想象力，打破常规的增产提质的转基因植物策略，转而向提高植物观赏性方面倾斜，让学生感受科技给生活带来的巨大改变。在电影《阿凡达》中，潘多拉星球上的植物都带有荧光，呈现丰富多彩的颜色，给人梦幻浪漫的感觉。该文通过转录终止子和增强子的新组合，在矮牵牛中表达eYGFPuv基因，使该基因的激发光和发射光几乎不重叠，在不使用发射滤光片的情况下，使转基因植物呈现肉眼可见的亮绿色荧光（见图2）。

图2 利用一种新的强效荧光蛋白转基因培育亮绿色荧光矮牵牛植株

（1）在介绍该案例时，强调目的基因（eYGFPuv）的获取，利用另一篇文献[6]说明该基因是CpYGFP的突变衍生物，科学家通过筛选不同荧光蛋白基因获得发射光谱和激发光谱几乎不重叠的eYGFPuv基因。提醒学生，目的基因除来源于已有现成基因外，也能通过突变或改造现有基因获得，拓宽目的基因的获取途径。（2）此外，科学家还通过筛选转录终止子和增强子的不同组合来增强目的基因的表达。因此，掌握真核表达调控机制是该文作者探索增强目的基因表达的理论依据，强调理论基础对实践操作的重要性。（3）这一案例也遵循了从不同角度和方面验证同一问题的原则，通过采用多种技术手段明确筛选出的转基因植株为阳性转基因植株。（4）最后，通过该案例介绍，让学生明确，通过基因工程手段开发具有不同花色、形态或气味等的观赏植物也具有重要意义。

1.3 叶绿体转基因技术+CRISPR-Cas9技术（拟南芥）

该案例为2019年发表于《Nature Plants》的期刊论文[7]。与传统的基因工程案例不同，该案例描述的是叶绿体转基因技术结合CRISPR-Cas9技术提高叶绿体转基因拟南芥的筛选并获得高育性的转基因植株。这一案例复杂度更高，但其中涉及的相关技术能代表当前科学研究的前沿主流技术。选择叶绿体转基因技术而非传统的核转基因技术，一方面打破学生的常规思维——只有核转基因才属于基因工程的范畴，让学生能放开思维思考其他转基因的可能性；另一方面，叶绿体转基因技术作为新兴热点，能进一步激发学生兴趣，为他们今后的学习和研究开拓思路。而CRISPR-Cas9作为基因编辑技术的典型，也是目前基因工程理论课程必须介绍的重要内容之一。在该案例中，科学家通过CRISPR-Cas9技术定点突变拟南芥核上ACC2基因，该基因的突变使得植株对筛选抗生素敏感，从而提高筛选率。然后，构建含抗生素抗性基因和荧光蛋白基因的重组载体，通过同源重组的方式实现叶绿体基因组转化。在选择受体细胞时，由于拟南芥叶为多倍体，易导致转基因植株的不育性问题，因此选择拟南芥根组织细胞作为受体细胞。由此，同时解决了转叶绿体基因组拟南芥植株的筛选问题和育性问题（见图3）。

图3 可育转质体拟南芥植株的高效繁殖

（1）在介绍该案例时，重点强调该案例是典型的非核转基因案例。叶绿体转基因技术经过了约25年的发展，但由于该技术面临的诸多困境和挑战，其应用局限性远远大于核转基因技术，但该技术在基础研究和生物技术方面都具有极高的价值。（2）尽管叶绿体转基因技术和核转基因技术改造的对象不同，但基因的操作流程和使用的技术方法等具有一致性。提醒学生注意活学活用，举一反三。（3）在该案例中，科学家首先通过CRISPR-Cas9技术对拟南芥的核基因进行改造，通过让学生思考并回答为什么没有选择经典的基因工程操作来敲除或敲低ACC2基因等问题激发学生的思考，在解答时则进一步强调基因编辑技术与经典基因工程技术相比所具有的优势。（4）作为一篇高水平的研究论文，该案例充分体现了科学家扎实的理论基础和应用实践能力，进一步向学生强调理论基础的重要性和实践操作的科学性、严谨性和合理性等。提醒学生只有有意识培养自己解决复杂问题的能力，才能在相关领域扎根立足并获得长远发展。

2 结语

转基因植物的案例非常丰富，本文只是从中选择部分进行教学转化。这3个案例都完整包含了基因工程的操作流程：目的基因的获取、载体构建、受体细胞转化、阳性转化子的筛选鉴定以及目的基因的表达。每个部分使用的技术在一定程度上包括了主要的基因工程操作技术，有一定的代表性。此外，这3个案例也有一些共同点，除流程基本一致外，在阳性转基因植物的筛选和鉴定过程中，都采用不同的鉴定方法从分子水平和代谢水平来验证转基因的成功。另外，这3个案例的研究都是基于基础和应用的实际需求展开的，具有较重要的研究价值。在实际教学过程中，可根据课时多少来安排案例讲解的占比。

我国的基础教育和高等教育一直都处于改革发展过程中，其中一个比较重要的问题是如何实现理论基础知识到实践的转化，即摆脱填鸭式的知识传授，而是提高学生的主观能动性，主动学习和探索，并将所学知识进行运用。基因工程课程是一门理论性、实践性和探索性都非常强的课程，是实现理论和实践结合的有效教学资源。传统的基因工程理论教学侧重于对主要流程及技术原理和操作的讲解，脱离了技术方法的使用环境，使得学生在学习时缺少感性认识，积极性和教学效果较差。采用案例教学则能在一定程度上弥补这一缺陷，同时通过案例介绍激发学生思考，鼓励学生进行探究，能更生动、更具体地呈现课程内容。除植物基因工程外，大肠杆菌基因工程、酵母基因工程和动物基因工程也都有很多生产实践和科学研究的实例，深入挖掘和利用这些实例提高教学成效是今后基因工程理论教学和实验教学的改革方向之一。