齊鳳慧　由香玲　范桂枝

［摘 要］ 植物細(xì)胞工程是植物生物技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛、取得多項(xiàng)里程碑式成果的一門技術(shù)。根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐，提出了一些教學(xué)體驗(yàn)。課程內(nèi)容建設(shè)上，圍繞“一個(gè)總則、兩個(gè)方面”展開，給學(xué)生總結(jié)了一個(gè)線索圖，使他們更好地理解章節(jié)之間的邏輯關(guān)系。講課方式上，根據(jù)該課程的特點(diǎn)本著“生活中的植物細(xì)胞工程、科研中的植物細(xì)胞工程”原則進(jìn)行講述，既讓學(xué)生感到植物細(xì)胞的成果就在身邊，又通過生物技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果，開闊學(xué)生的視野，加深對理論的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

［關(guān)鍵詞］ 植物細(xì)胞工程；線索圖；課程建設(shè)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度東北林業(yè)大學(xué)校級教改課題“基于新形勢下‘植物細(xì)胞工程原理與技術(shù)課程內(nèi)容梳理及緊跟領(lǐng)域發(fā)展前沿的教學(xué)體系探討”（DGY2021-27）

［作者簡介］ 齊鳳慧（1976—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高級工程師，主要從事細(xì)胞工程研究；由香玲（1971—），女，山東海陽人，博士，東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授（通信作者），主要從事藥用植物細(xì)胞工程與次生代謝調(diào)控研究；范桂枝（1974—），女，山西平遙人，博士，東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，主要從事植物抗逆境研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0097-04 ［收稿日期］ 2022-12-29

植物細(xì)胞工程（plant cell engineering）是一門現(xiàn)代生物科學(xué)理論和工程技術(shù)相結(jié)合的綜合性學(xué)科，已滲透到生物學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，成為生物學(xué)研究的重要技術(shù)和手段。植物細(xì)胞工程在醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、輕化工、食品保健等重要領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。為了進(jìn)一步提高生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)專業(yè)本科生的能力，從而更好地適應(yīng)社會對植物生物技術(shù)發(fā)展的要求，我們在2010年開設(shè)了“植物細(xì)胞工程”課程?，F(xiàn)就近年來我們對這門課程的建設(shè)和教學(xué)改革進(jìn)行探討。

一、“植物細(xì)胞工程”課程內(nèi)容的建設(shè)

（一）教材和參考書選擇

通過翻閱相關(guān)理論書籍以及長期在植物細(xì)胞工程方面研究的經(jīng)驗(yàn)，我們先后將李志勇編著的《細(xì)胞工程學(xué)》［2-3］和朱至清編著的《植物細(xì)胞工程》［4］作為主要教材，將周維燕主編的《植物細(xì)胞工程原理與技術(shù)》［5］、劉進(jìn)平編著的《植物細(xì)胞工程簡明教程》［6］、謝叢華和柳俊主編的《植物細(xì)胞工程》［7］作為重要參考書。目前，隨著人們對植物細(xì)胞工程的認(rèn)識不斷深入，有大量參考書出版，這些書對“植物細(xì)胞工程”的學(xué)習(xí)具有重要的參考價(jià)值。

（二）講課內(nèi)容圍繞“一個(gè)總則、兩個(gè)方面”展開

在講述內(nèi)容上，努力讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)既要對整個(gè)課程的理論有整體把握，也要在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)上操作準(zhǔn)確。經(jīng)過認(rèn)真思考和查閱資料，我們先為學(xué)生準(zhǔn)備了一個(gè)整體的“植物細(xì)胞工程”課程內(nèi)容線索圖（如圖1）。從圍繞植物細(xì)胞工程基本的“一個(gè)總則——細(xì)胞全能性理論”開始，證明這個(gè)理論的兩個(gè)方面：植株再生和次生代謝物質(zhì)生產(chǎn)，從一個(gè)細(xì)胞或多個(gè)細(xì)胞（愈傷組織）到一個(gè)完整的植株。緊緊把握兩條途徑：器官發(fā)生與體胚發(fā)生，從而讓學(xué)生掌握這兩條途徑的區(qū)別和發(fā)生條件，植物次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生也是細(xì)胞全能性理論的重要體現(xiàn)。這部分內(nèi)容首先讓學(xué)生了解為什么植物次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生是細(xì)胞全能性的體現(xiàn)及該擴(kuò)展理論的發(fā)現(xiàn)者。讓學(xué)生重點(diǎn)掌握如何獲得高含量目的次生代謝產(chǎn)物的材料，這涉及培養(yǎng)工藝——篩選材料和培養(yǎng)技術(shù)等。

植物細(xì)胞工程是理論和實(shí)踐的結(jié)合。上述理論在實(shí)踐中應(yīng)用于很多方面，如農(nóng)業(yè)育種、花卉培育、苗木生產(chǎn)等。器官發(fā)生途徑這部分內(nèi)容選擇脫毒技術(shù)講給學(xué)生，主要以馬鈴薯、紅薯、大蒜等為題材，講述脫毒的技術(shù)過程和要點(diǎn)。次生代謝物質(zhì)生產(chǎn)這部分內(nèi)容結(jié)合目前植物生物反應(yīng)器技術(shù)，列舉人參細(xì)胞和不定根、紫草細(xì)胞等產(chǎn)業(yè)化的過程，以及所需的設(shè)備、技術(shù)等，從而讓學(xué)生了解時(shí)代技術(shù)的最新發(fā)展。

我們根據(jù)上述理論，把實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)置成白樺芽分化、龍芽樬木體細(xì)胞胚發(fā)生、細(xì)胞融合觀察、三七細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)人參皂苷等。這些實(shí)驗(yàn)涉及超凈操作技術(shù)、小型生物反應(yīng)培養(yǎng)技術(shù)、顯微鏡操作技術(shù)、物質(zhì)提取技術(shù)、分光光度計(jì)分析技術(shù)、高壓液相分離技術(shù)等。涉及設(shè)備和技術(shù)不僅能使學(xué)生進(jìn)一步應(yīng)用過去學(xué)過的操作技術(shù)，也有助于學(xué)生接觸更多的設(shè)備，從而學(xué)習(xí)更多的操作技術(shù)，對理論也會有更深入的理解。

二、教學(xué)方法及方式探索

“植物細(xì)胞工程”理論課和實(shí)驗(yàn)課都采用多媒體課件的方式進(jìn)行授課。理論課的講述方式本著“生活中的植物細(xì)胞工程”的原則，讓學(xué)生感覺到自己生活在植物細(xì)胞工程創(chuàng)造的世界中；而實(shí)驗(yàn)課本著先動手，后動腦的原則，讓學(xué)生先按照教師的要求認(rèn)真操作，然后仔細(xì)觀察，根據(jù)理論動腦分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

（一）講述緒論部分——時(shí)光穿越

緒論部分是整個(gè)植物細(xì)胞工程的開篇之講，能否激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣對今后整門課程影響很大。而這一部分的主要內(nèi)容是介紹這門課的歷史發(fā)展及取得的成績。從1902年的細(xì)胞全能性思想的提出，到現(xiàn)在10噸生物反應(yīng)器的規(guī)?；a(chǎn)藥用植物有效成分，如何在一堂課的時(shí)間里讓學(xué)生對植物細(xì)胞工程研究的內(nèi)容及意義有整體的認(rèn)識呢？我們以細(xì)胞全能性為主線索，結(jié)合每個(gè)歷史性突破時(shí)的社會背景，讓學(xué)生感受到歷史好像就是昨天。例如，介紹細(xì)胞全能性理論提出的時(shí)候，講述了德國植物學(xué)家G.haberlandt如何提出這個(gè)觀點(diǎn)的事例。Schleiden和Schwann于1838年和1839年提出了細(xì)胞學(xué)說：細(xì)胞是有機(jī)體，亦是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位，由它構(gòu)成整個(gè)生物個(gè)體。當(dāng)時(shí)（1902年）的植物學(xué)家對這個(gè)理論是承認(rèn)的。因此，善于思考的G.haberlandt在此基礎(chǔ)上認(rèn)為高等植物的組織、器官可以不斷分割直到為單個(gè)細(xì)胞；如果每個(gè)細(xì)胞都有植物個(gè)體一樣的性質(zhì)和能力，可以通過植物細(xì)胞培養(yǎng)使單個(gè)細(xì)胞發(fā)育成為一個(gè)新個(gè)體。如何才能證實(shí)該思想呢？于是G.haberlandt做了很多器官、組織、細(xì)胞的培養(yǎng)，但是都未獲得成功，直到后來培養(yǎng)設(shè)備的提高，該培養(yǎng)才得以成功。截至目前，已經(jīng)有上千種植物的離體培養(yǎng)獲得了成功。為了讓學(xué)生記住這位科學(xué)家及其理論的重要性，講述時(shí)提到同時(shí)代的物理學(xué)家愛因斯坦，因?yàn)?905年愛因斯坦提出著名的相對論。同時(shí)，提問并啟發(fā)鼓勵學(xué)生，G.haberlandt在60多年前理論的基礎(chǔ)上提出了偉大的細(xì)胞全能性理論，也希望同學(xué)們能夠就目前的理論、技術(shù)提出自己新的觀點(diǎn)，或延伸，或填補(bǔ)，或糾正，從而把學(xué)生從一百多年前又拉回到現(xiàn)在。

隨后講述20世紀(jì)30年代期間的一些典型事例來說明植物細(xì)胞工程技術(shù)的飛速發(fā)展。為了讓學(xué)生能注意了解這段發(fā)展期，筆者列舉了植物細(xì)胞工程技術(shù)領(lǐng)域中的很多矚目成績，推動著這一科學(xué)的進(jìn)步。也可以聽一兩個(gè)愛好歷史的同學(xué)講一下那個(gè)年代相關(guān)的著名科研人物。學(xué)生將社會的情景、人與科學(xué)的發(fā)展聯(lián)系起來，使講述科學(xué)發(fā)展史的路線更加生動。

（二）課程中引入實(shí)際應(yīng)用實(shí)例——生活中的植物細(xì)胞工程

“植物細(xì)胞工程”是一門技術(shù)性很強(qiáng)的課程。在講述理論時(shí)聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用更能讓學(xué)生體會到其魅力。在講述植物脫毒培養(yǎng)時(shí)，除了講述該技術(shù)的操作過程及技術(shù)要點(diǎn)外，配以馬鈴薯的圖片——馬鈴薯花、大個(gè)頭的果實(shí)、豐收成堆的馬鈴薯等。在講述細(xì)胞融合技術(shù)時(shí)，講述馬鈴薯和西紅柿的故事，可以讓學(xué)生想一下我們身邊還有哪些可以通過細(xì)胞融合來創(chuàng)造的理想品種。能否通過奶牛和草的融合使牛不用吃草而直接通過身體里的葉綠素來進(jìn)行光合作用，從而直接產(chǎn)奶。也可以舉例是否可以把松樹和小麥細(xì)胞進(jìn)行融合，不必一年年的在土地上種小麥，松樹上長出小麥就收割，然后再長……。這樣既可以啟發(fā)學(xué)生的想象，又能活躍課堂氣氛。

在講述“次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn)”的應(yīng)用時(shí)，將植物生物反應(yīng)器技術(shù)加入進(jìn)去，以大量的詳細(xì)技術(shù)和豐富的圖片介紹在日本、德國、韓國等國家這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。從具體藥用植物的篩選技術(shù)、生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)圖片、主要部件材料圖到生產(chǎn)材料加工的各種產(chǎn)品圖片、價(jià)格圖片等，以及該產(chǎn)業(yè)在這些國家每年創(chuàng)造的產(chǎn)值等信息。因?yàn)槲覈壳斑€沒有利用植物細(xì)胞生物反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)植物材料，生產(chǎn)有價(jià)值次生代謝物質(zhì)的技術(shù)。對于這項(xiàng)技術(shù)的研究，都是查閱最新的研究報(bào)告，以及我們出國訪問時(shí)所獲得的最新進(jìn)展和圖片。因此在教學(xué)中，要開闊學(xué)生的視野，激發(fā)他們學(xué)習(xí)該課程的興趣。

（三）課程中引入最新論文成果——科研中的植物細(xì)胞工程

在“植物細(xì)胞工程”中，利用植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)植物次生代謝是很重要的內(nèi)容。除了給學(xué)生講解目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的人參不定根、紫草細(xì)胞、長春花等事例外，也可以講解一些藥用次生代謝物質(zhì)的生物代謝調(diào)控機(jī)制，這也是目前基礎(chǔ)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。講述這部分內(nèi)容時(shí)，以最近發(fā)表的高水平藥用植物論文為例，通過相關(guān)的研究專題，把植物細(xì)胞工程的內(nèi)容與其他領(lǐng)域的內(nèi)容聯(lián)合起來進(jìn)行講解，開闊同學(xué)的視野。

通過開辟丹參專題、人參專題，分別講解丹參酮、人參皂苷代謝調(diào)控的目的、過程及現(xiàn)狀。向?qū)W生介紹藥用植物對人類的巨大作用，尤其在我們傳統(tǒng)中醫(yī)中藥領(lǐng)域，藥用植物為我們中華民族服務(wù)了上千年，保佑我們子孫繁衍不斷，尤其是近三年來的新冠疫情，許多中藥對抗擊疫情起到了很大作用。還有中醫(yī)中的艾灸、藥浴等，其對提高人體免疫力、預(yù)防新冠病毒感染具有一定的作用，這是不是普遍現(xiàn)象呢？目前沒有定論，還需要對此做進(jìn)一步科學(xué)論證得出結(jié)論。在當(dāng)下及以后，相信我們的中醫(yī)中藥會有耀眼的表現(xiàn)，也需要相關(guān)研究者更為深入研究，從而服務(wù)人民。

通過結(jié)合神醫(yī)故事、神話傳說等，為學(xué)生引出這些藥用植物起作用的具體藥用成分或單體物質(zhì)，而我們要獲得這些藥用成分就要分析、研究其生物合成及代謝的調(diào)控機(jī)制，進(jìn)而給學(xué)生講解研究這些內(nèi)容的技術(shù)過程。首先，通過組學(xué)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等）手段獲得合成丹參酮和人參皂苷通路上的系列關(guān)鍵酶基因，通過生物技術(shù)手段對這些關(guān)鍵酶基因進(jìn)行功能分析，揭示其對人參酮和人參皂苷合成的作用。其次，通過尋找相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，研究其對通路中更多關(guān)鍵酶因的調(diào)控。這些看似不是植物細(xì)胞工程的內(nèi)容，要想完成其功能驗(yàn)證和基因調(diào)控，必須有非常完善的植物和高效的轉(zhuǎn)基因體系，這些都是植物細(xì)胞工程的重要技術(shù)和內(nèi)容，而目前很多植物的再生體系及高效轉(zhuǎn)基因依然沒有建立，需要學(xué)生去研究探索，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而向?qū)W生介紹我們研究這些代謝合成調(diào)控、關(guān)鍵基因酶還有一個(gè)重要的領(lǐng)域，即合成生物學(xué)。可以把這些關(guān)鍵酶基因組裝到啤酒酵母中，從而實(shí)現(xiàn)單體物質(zhì)的高效合成。通過一些產(chǎn)業(yè)化的青蒿素、人參皂苷單體RH、Rg3等的應(yīng)用臨床現(xiàn)狀，鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)。通過這些故事講解，既能讓學(xué)生整體了解整個(gè)生物技術(shù)領(lǐng)域，以及植物細(xì)胞工程技術(shù)在其中的作用和位置，又能激勵學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)生物工程的熱情。

結(jié)語

本文主要就“植物細(xì)胞工程”課程建設(shè)內(nèi)容及講課方式進(jìn)行了探討。課程內(nèi)容建設(shè)緊緊圍繞一個(gè)總則、兩個(gè)方面展開，并給學(xué)生總結(jié)了一個(gè)線索圖，讓他們對該課程有整體的把握。同時(shí)，在講課方式上，緒論注重讓學(xué)生有時(shí)空穿越的感覺，將植物細(xì)胞工程的一些偉大發(fā)現(xiàn)和思想，結(jié)合當(dāng)時(shí)的社會環(huán)境更為立體地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。根據(jù)該課程的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用和研究方面本著“生活中的植物細(xì)胞工程、科研中的細(xì)胞工程”原則進(jìn)行講解，讓學(xué)生切身體會到植物細(xì)胞工程的成果就在身邊，以及目前最新研究成果及未來發(fā)展趨勢，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)

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［6］劉進(jìn)平.植物細(xì)胞工程簡明教程［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005：3-183.

［7］謝叢華，柳俊.植物細(xì)胞工程［M］.北京：高等教育出版社，2004：2-200.

Plant Cell Engineering Curriculum Content Design and Teaching Exploration： Course Design Based on the Living Examples and Newest Field Development Results

QI Feng-hui， YOU Xiang-ling， FAN Gui-zhi

（College of Life Science， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China）

Abstract： In the course content construction of Plant Cell Engineering， we focus on “one general principle， two aspects”and summarize a clue diagram for students， so that they can well understand the logical relationship between chapters. In terms of teaching method， the course is based on the principle of “plant cell engineering in life and plant cell engineering in scientific research” according to the characteristics of the course. It not only makes students feel that the achievements of plant cells are around， but also broadens their horizons and deepens their understanding of the course content through the latest research results and practical applications in the field of biotechnology， which will stimulate students interest in learning.

Key words： Plant Cell Engineering; clue diagram; curriculum content construction