劉志祥 曾超珍

摘要 ? ?細胞遺傳學(xué)實驗是本科遺傳學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，但由于課時的限制往往無法全部完成。在對現(xiàn)有遺傳學(xué)實驗教材進行分析的基礎(chǔ)上，按照模塊化設(shè)計將細胞遺傳學(xué)核心實驗分解為染色體誘變技術(shù)、染色體標(biāo)本制備技術(shù)、染色體分析技術(shù)3個模塊，在此基礎(chǔ)上開展綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)，以期為提高細胞遺傳學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?細胞遺傳學(xué);核心實驗;模塊化設(shè)計;教學(xué)方式

中圖分類號 ? ?G642;Q37.0 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）15-0255-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract ? ?Cytogenetics experiment is an important content in undergraduate genetics teaching， but due to the limitation of class hours， it is often impossible to complete all of them. Based on the analysis of the existing genetics experiment textbooks， the cytogenetics experiment was decomposed into three modules of chromosome mutagenesis technology， chromosome specimen preparation technology， and chromosome analysis technology accord-ing to the modular design. On this basis， comprehensive， designed experimental teaching was carried out， so as to provide references for improving the quality of cytogenetics experimental teaching.

Key words ? ?cytogenetics; core experiment; modular design; teaching method

遺傳學(xué)是引領(lǐng)生命科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)核心學(xué)科，也是實踐性很強的學(xué)科[1]。遺傳學(xué)實驗教學(xué)是理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、思維能力和實踐能力的重要環(huán)節(jié)[2]。遺傳學(xué)實驗課程在森林資源類、植物生產(chǎn)類等本科專業(yè)培養(yǎng)方案中是最重要、綜合性最強的實驗課程之一[3]。

本科遺傳學(xué)實驗教學(xué)按照實驗內(nèi)容可歸類為經(jīng)典遺傳學(xué)、細胞遺傳學(xué)、微生物遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)、數(shù)量與群體遺傳學(xué)5個板塊[2，4-5]。近年來，國內(nèi)遺傳學(xué)實驗教學(xué)越來越重視分子遺傳學(xué)實驗教學(xué)，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、質(zhì)粒提取與酶切、大腸桿菌轉(zhuǎn)化等基礎(chǔ)分子遺傳學(xué)實驗項目早已經(jīng)進入遺傳學(xué)實驗課程，甚至一些較復(fù)雜的分子遺傳學(xué)綜合實驗，例如QTL分析、RNA干擾等也已經(jīng)引入到了遺傳學(xué)實驗課程[6-7]，從而使分子遺傳學(xué)實驗在遺傳學(xué)課程實驗中所占比例不斷增加。這一趨勢與現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展是相契合的，但也導(dǎo)致在總學(xué)時基本不變的情況下，細胞遺傳學(xué)實驗等經(jīng)典內(nèi)容勢必被壓縮。

面向森林資源類、植物生產(chǎn)類等本科專業(yè)，本文在對現(xiàn)有遺傳學(xué)實驗教材進行分析的基礎(chǔ)上提出了細胞遺傳學(xué)的核心實驗，嘗試按照模塊化設(shè)計將其分解為染色體誘變技術(shù)、染色體標(biāo)本制備技術(shù)、染色體分析技術(shù)3個模塊，在此基礎(chǔ)上探討開展綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)。本文對在課時有限的條件下提高本科細胞遺傳學(xué)實驗教學(xué)效果具有一定的參考價值。

1 ? ?細胞遺傳學(xué)實驗教學(xué)的重要性

細胞遺傳學(xué)是細胞學(xué)與遺傳學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它以染色體為研究對象，揭示染色體與生物遺傳、變異與進化的關(guān)系。細胞遺傳學(xué)經(jīng)過長期的發(fā)展，與分子生物學(xué)結(jié)合發(fā)展成為分子細胞遺傳學(xué)，并隨著高通量測序等組學(xué)技術(shù)的發(fā)展進一步形成系統(tǒng)完善的細胞遺傳學(xué)[8-9]。細胞遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)診斷[10]、倍性育種[11]、染色體工程[12]中具有重要的應(yīng)用價值。因此，細胞遺傳學(xué)實驗在本科遺傳學(xué)實驗教學(xué)中具有十分重要的地位。

從Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫中檢索最近10年（2009—2018年）遺傳學(xué)中2種熱門的分子遺傳學(xué)實驗技術(shù)（基因編輯、RNA干擾）和3種經(jīng)典的細胞遺傳學(xué)實驗技術(shù)[核型分析、熒光原位雜交（FISH）、染色體顯帶]相關(guān)SCI論文數(shù)量，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，作為新興技術(shù)，基因編輯相關(guān)論文數(shù)量近年來迅速增加，自2016年開始每年相關(guān)論文數(shù)量均超過2 000篇，且呈逐年快速增加的趨勢;RNA干擾雖然近3年相關(guān)論文數(shù)量呈下降趨勢，但每年論文數(shù)量一直維持在5 000篇以上，是遺傳學(xué)研究中的熱門技術(shù);在經(jīng)典細胞遺傳學(xué)實驗技術(shù)中，染色體顯帶技術(shù)相關(guān)論文相對較少，基本穩(wěn)定維持在每年100～200篇，但核型分析和熒光原位雜交相關(guān)論文數(shù)量近10年來均穩(wěn)定維持在每年2 000～3 000篇;這表明細胞遺傳學(xué)經(jīng)典實驗技術(shù)（核型分析、熒光原位雜交等）在生命科學(xué)研究中仍然具有相當(dāng)重要的作用。

因此，在實驗課時有限的前提下，以“綜合性、設(shè)計性”為導(dǎo)向，如何高質(zhì)量做好細胞遺傳學(xué)實驗教學(xué)是本科遺傳學(xué)教學(xué)中需要解決的重要課題。

2 ? ?細胞遺傳學(xué)核心實驗?zāi)K化設(shè)計

2.1 ? ?細胞遺傳學(xué)核心實驗

目前，國內(nèi)本科遺傳學(xué)實驗教材中收錄的細胞遺傳學(xué)實驗項目主要有12項[2-5，13]，如表1所示。顯然，受實驗教學(xué)課時的限制，這些實驗項目在教學(xué)中是無法全部完成的。在實際教學(xué)工作中，任課教師只能根據(jù)實際課時并結(jié)合實驗室的條件從中選取少量實驗項目進行，因而導(dǎo)致在細胞遺傳學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容選取過程中往往存在一定的隨意性。因此，有必要從細胞遺傳學(xué)整體實驗技術(shù)體系的角度對這些實驗項目進行梳理和分析，確定哪些實驗項目是細胞遺傳學(xué)核心實驗項目，在教學(xué)中優(yōu)先保證這些項目的完成。由于細胞遺傳學(xué)是以染色體為主要研究對象，因而染色體操作與分析是細胞遺傳學(xué)核心實驗技術(shù)。

2.1.1 ? ?核心實驗。涉及核型分析、熒光原位雜交、染色體顯帶等，屬于遺傳學(xué)特色實驗，基本不會與其他課程重復(fù)，更重要的是在現(xiàn)代遺傳學(xué)研究和實際應(yīng)用中仍然經(jīng)常使用，在遺傳學(xué)實驗課程中應(yīng)該盡量開設(shè)。因此，可以將之歸為細胞遺傳學(xué)核心實驗。

2.1.2 ? ?非核心實驗。植物組織培養(yǎng)、植物原生質(zhì)體的分離再生不直接涉及染色體操作與分析，且與植物生理學(xué)、植物組織培養(yǎng)、細胞工程等實驗課程存在重復(fù)，在遺傳學(xué)實驗中可不開設(shè);有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體行為的觀察、果蠅唾腺染色體的觀察、姊妹染色單體區(qū)分染色、植物微核檢測屬于比較經(jīng)典的遺傳學(xué)實驗項目，在課時允許的條件下可以開設(shè)。

2.2 ? ?模塊化實驗教學(xué)設(shè)計

在遺傳學(xué)實驗教材中，所列的核心實驗均為各自獨立的項目（表1）。在實際實驗教學(xué)中，可以采用模塊化方法進行實驗教學(xué)設(shè)計，既能在有限的課時內(nèi)盡量覆蓋全面的內(nèi)容，又可以提高實驗教學(xué)效果。按照所涉及的實驗技術(shù)和目的，細胞遺傳學(xué)核心實驗可以分為3個模塊，即染色體誘變技術(shù)（包括染色體數(shù)量變異與結(jié)構(gòu)變異）模塊、染色體標(biāo)本制備技術(shù)模塊、染色體分析技術(shù)模塊（圖2）。

按照設(shè)計方案，現(xiàn)有遺傳學(xué)實驗教材中原本分散獨立的細胞遺傳學(xué)實驗按照其所涉及的實驗技術(shù)整合形成3個教學(xué)模塊，在實驗教學(xué)過程中可以根據(jù)實驗室具備的條件進行這3個模塊要素的自由組合，形成綜合性實驗項目，例如：①基于45s rDNA-FISH的植物染色體組型分析;②結(jié)合C-顯帶技術(shù)和重復(fù)序列為探針的FISH識別植物的染色體;③基于FISH技術(shù)鑒定植物異附加系材料;④基于特異性重復(fù)序列探針鑒定植物異源多倍體材料。

3 ? ?細胞遺傳學(xué)綜合性實驗教學(xué)方式

開展綜合性、設(shè)計性實驗，對實驗教學(xué)的組織提出了更高的要求。因此，需要在實驗教學(xué)方式上進行相應(yīng)的調(diào)整。

3.1 ? ?做好實驗前的準(zhǔn)備工作

綜合性、設(shè)計性實驗需要學(xué)生提前做好資料收集、實驗設(shè)計、實驗準(zhǔn)備。因此，教師一般需要提前2周以上向?qū)W生布置實驗任務(wù)。一些實驗材料需要準(zhǔn)備的時間很長（例如遠緣雜交及回交），只能由任課教師提前完成，但最好能向?qū)W生提供準(zhǔn)備過程的照片、視頻等，以使學(xué)生具備直觀的認(rèn)識。

3.2 ? ?發(fā)揮研究生的助教作用

綜合性、設(shè)計性實驗往往程序較復(fù)雜，實驗過程較長，時間跨度較大，僅依靠課程課表上的時間往往無法完成實驗，而任課教師通常也無法抽出更多的額外時間全程陪同和指導(dǎo)。所以，發(fā)揮研究生助教的作用不失為恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。將學(xué)生分組并分配研究生作為助教，這樣既能使學(xué)生及時得到指導(dǎo)，另一方面研究生也得到鍛煉，完成了其培養(yǎng)方案中的教學(xué)實踐工作。

3.3 ? ?科研反哺教學(xué)

開展綜合性、設(shè)計性實驗對儀器設(shè)備要求較高。部分實驗設(shè)備，尤其是一些大型貴重儀器設(shè)備，本科教學(xué)實驗室可能不具備。國家級、省部級科研平臺的儀器設(shè)備往往較為先進、齊備，是解決教學(xué)儀器不足的途徑。只要管理得當(dāng)，不對科研造成阻礙，可更大程度地發(fā)揮科研儀器設(shè)備的價值。此外，結(jié)合教師的科研項目，可以引導(dǎo)學(xué)生在教師科研項目框架內(nèi)開展設(shè)計性實驗。在此過程中獲得的具有理論創(chuàng)新或應(yīng)用價值的成果可以鼓勵學(xué)生撰寫并公開發(fā)表論文，從而實現(xiàn)教學(xué)與科研相互促進。

4 ? ?結(jié)語

細胞遺傳學(xué)實驗是森林資源類、植物生產(chǎn)類本科專業(yè)遺傳學(xué)實驗教學(xué)中經(jīng)典、特色內(nèi)容，在遺傳學(xué)基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用中具有重要價值，因而細胞遺傳學(xué)實驗教學(xué)必須重視。在總實驗課時有限的條件下，建議優(yōu)先保證由染色體誘變、染色體標(biāo)本制備、染色體分析三大模塊構(gòu)成的細胞遺傳學(xué)核心實驗的教學(xué)。各高校根據(jù)自身教學(xué)與科研平臺情況、科研領(lǐng)域等開展綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)。在此基礎(chǔ)上，通過實驗教學(xué)材料共享、教學(xué)案例報道等，將進一步推進國內(nèi)遺傳學(xué)教學(xué)質(zhì)量提升，促進高素質(zhì)生命科學(xué)人才的培養(yǎng)。

5 ? ?參考文獻

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