“Ca2+轉(zhuǎn)化法”實(shí)驗(yàn)方法補(bǔ)充及基因工程專題的教學(xué)建議

胡鵬偉

摘 要：文章以高中生物選修三中“將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞”實(shí)驗(yàn)方法為例，理清導(dǎo)入方法的不明之處，優(yōu)化對(duì)該步驟的語言表述，并對(duì)基因工程板塊內(nèi)容的教學(xué)提出建議，使得該部分內(nèi)容易于被學(xué)生理解，促進(jìn)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：目的基因;導(dǎo)入;基因工程;核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2019-11-17 文章編號(hào)：1674-120X（2020）16-0079-02

高中生物是一門以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的技術(shù)課程，兼具多種教育功能（如基本科學(xué)素養(yǎng)、審美育人功能）?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也明確了生物學(xué)科素養(yǎng)的重要性。實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的生物教學(xué)能實(shí)現(xiàn)教育部現(xiàn)正大力提倡的核心素養(yǎng)目標(biāo)。“3+1+2”高考新模式在部分省市已然推行，生物選修模塊內(nèi)容分量也在變重，選修三中基因工程常年考查，數(shù)據(jù)顯示：近六年基因工程考查分值（51分）在高中生物選修三總體考查中（75分）占到68%。

另外，2017年開始修訂的《考試說明》中對(duì)“基因工程的基本原理及技術(shù)”內(nèi)容做出了明確要求，并在修訂的《考試大綱》中明確加入“PCR技術(shù)”的內(nèi)容，可見選修三部分內(nèi)容的重要性得到了回應(yīng)，且基因工程也屬生物學(xué)前沿知識(shí)，在以后的生物信息化教學(xué)、信息化發(fā)展中也會(huì)起到引領(lǐng)作用，其內(nèi)容重要性不容忽視。

一、“將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞”實(shí)驗(yàn)方法補(bǔ)充

本部分（高中生物必修三教材第12頁）明確介紹了幾種常用的導(dǎo)入方法：導(dǎo)入植物細(xì)胞的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、基因槍法和花粉管通道法;導(dǎo)入動(dòng)物細(xì)胞的顯微注射技術(shù)。在導(dǎo)入微生物細(xì)胞這方面，教材介紹得不明確。

（一）大腸桿菌轉(zhuǎn)化的具體方法

關(guān)于導(dǎo)入方法，現(xiàn)以2016年浙江模擬題（節(jié)選）為例，某課題組進(jìn)行了下圖的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)回答：圖中導(dǎo)入重組質(zhì)粒的方法是___，在導(dǎo)入之前應(yīng)用一定濃度的___處理受體細(xì)菌。（答案：Ca2+轉(zhuǎn)化法? CaCl2溶液）

教材中敘述模糊的問題在對(duì)比下就顯現(xiàn)出來：Ca2+轉(zhuǎn)化法在教材中并未言明，且Ca2+處理法是用于制備大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞，之后才導(dǎo)入。在一些文獻(xiàn)中，農(nóng)桿菌感受態(tài)細(xì)胞也是在Ca2+溶液的處理下得到的，接著可以用來導(dǎo)入外源DNA，以Ca2+轉(zhuǎn)化法命名稍顯籠統(tǒng)，不像導(dǎo)入動(dòng)植物細(xì)胞的方法那樣具體。筆者查閱大量資料，現(xiàn)總結(jié)如下：

1.電擊法轉(zhuǎn)化大腸桿菌

此方法不需要預(yù)先誘導(dǎo)細(xì)菌的感受態(tài)，原理為：依靠短暫的電擊，促使DNA進(jìn)入細(xì)菌。

細(xì)菌經(jīng)培養(yǎng)生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)中期，冷卻、離心后用預(yù)冷過的蒸餾水或者緩沖液充分洗凈以降低細(xì)胞懸液的離子強(qiáng)度，而后再用含10%甘油的緩沖液懸浮。當(dāng)細(xì)菌受到短時(shí)高壓電擊時(shí)，DNA可立即被導(dǎo)入感受態(tài)細(xì)胞。

2.42度熱激法轉(zhuǎn)化大腸桿菌

與教材中轉(zhuǎn)化第二步的敘述最接近的便是42度熱激法，也是目前實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化大腸桿菌的主流方法。其原理為：在0℃條件下，用低滲溶液氯化鈣去處理細(xì)菌，菌體細(xì)胞在條件變化時(shí)會(huì)改變形態(tài)膨脹成球形，DNA與CaCl2形成羥基-鈣磷酸復(fù)合物，黏附于細(xì)胞表面（感受態(tài)細(xì)胞很容易與DNA黏附在一起）。經(jīng)短時(shí)間42度熱激處理，促使細(xì)胞吸收DNA復(fù)合物，完成導(dǎo)入。

（二）將目的基因?qū)肫渌⑸锛?xì)胞的具體方法

例題：（2012上海高考卷節(jié)選）下圖是將人的生長(zhǎng)激素基因?qū)爰?xì)菌D細(xì)胞內(nèi)，產(chǎn)生“工程菌”的示意圖。所用的運(yùn)載體為質(zhì)粒A，生長(zhǎng)素合成基因?yàn)锽，請(qǐng)回答：圖中A和B產(chǎn)生的C叫__，除細(xì)菌外，理論上能夠接納C的受體細(xì)胞還可以是___。（答案：重組質(zhì)粒? 酵母菌）

答案表明真菌類也能作為接納C的受體細(xì)胞，教材無此內(nèi)容，在教學(xué)實(shí)踐中需要補(bǔ)充來適應(yīng)推陳出新的試題類型，拓寬學(xué)生在生物科技專題的知識(shí)面。

1.PEG/LiAC（聚乙二醇/醋酸鋰）介導(dǎo)的42度熱激法轉(zhuǎn)化酵母菌

目前導(dǎo)入酵母菌的主流方法為PEG/LiAC（聚乙二醇/醋酸鋰）介導(dǎo)的42度熱激法。其原理為：用醋酸鋰法制備酵母感受態(tài)細(xì)胞，增大酵母細(xì)胞對(duì)外孔隙，然后與重組表達(dá)載體在42度水浴加熱下混合共存15min，在PEG/LiAC的幫助下，促進(jìn)酵母感受態(tài)細(xì)胞吸收DNA分子。

2.液氮凍融法轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌

農(nóng)桿菌感受態(tài)細(xì)胞制備方法類似大腸桿菌，用CaCl2法來制備;導(dǎo)入法為液氮凍融法。其原理為：載體DNA分子溶于緩沖液與感受態(tài)細(xì)胞混合，液氮60s速凍處理，促使細(xì)胞吸收DNA復(fù)合物。完成導(dǎo)入的農(nóng)桿菌用于“目的基因?qū)胫参锛?xì)胞——農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法”當(dāng)中。

二、對(duì)基因工程板塊內(nèi)容的教學(xué)建議

（一）對(duì)“將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞”方法的補(bǔ)充更新

結(jié)合以上論證，反觀教材的敘述內(nèi)容，可做如下補(bǔ)充：

1.微生物受體細(xì)胞種類

常用的有大腸桿菌、農(nóng)桿菌[2]和酵母菌，受體細(xì)胞準(zhǔn)備環(huán)節(jié)是化學(xué)法制備感受態(tài)細(xì)胞。制備方法為：大腸桿菌和農(nóng)桿菌為Ca2+處理法，酵母菌為醋酸鋰處理法。

2.明確導(dǎo)入方法

導(dǎo)入大腸桿菌常用42度熱激法，導(dǎo)入農(nóng)桿菌為液氮凍融法，導(dǎo)入酵母菌為PEG/LiAC介導(dǎo)的42度熱激法。

（二）重視基因工程板塊知識(shí)點(diǎn)更新，以事實(shí)為主，體現(xiàn)科學(xué)精神

基因工程內(nèi)容屬前沿知識(shí)，變化較快?！吨袊鴮W(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出：“要體現(xiàn)科學(xué)精神，崇尚真知并具理性思維。”實(shí)事求是，探究求真精神必不可少。本板塊重點(diǎn)是學(xué)習(xí)科技知識(shí)和新成果，掌握原理方法，體現(xiàn)核心素養(yǎng)之科學(xué)精神。

授課時(shí)要指明框架，注重知識(shí)更新但不脫離學(xué)生實(shí)際基礎(chǔ)，拓寬知識(shí)面。比如，點(diǎn)明大腸桿菌、農(nóng)桿菌和酵母菌的導(dǎo)入方法和受體細(xì)胞的處理方法;對(duì)具體環(huán)節(jié)原理不加深入，對(duì)已明確發(fā)展的事實(shí)不做模糊化處理。當(dāng)然，也要照顧到基礎(chǔ)知識(shí)的全面性和系統(tǒng)性，且不超綱。

（三）重視基因工程課標(biāo)考查點(diǎn)，前后實(shí)驗(yàn)知識(shí)聯(lián)結(jié)，助力學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)

教學(xué)中要注重前后實(shí)驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)結(jié)。例如，必修一中用顯微鏡觀察多種多樣的細(xì)胞，真菌和細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同，故導(dǎo)入方法各異;探究酵母菌的呼吸方式和酵母菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化，學(xué)生對(duì)真菌的生存狀態(tài)有一定的了解，在選修部分介紹酵母菌的導(dǎo)入，學(xué)生不會(huì)陌生;特別是學(xué)生已經(jīng)有了選修一微生物實(shí)驗(yàn)的無菌操作以及大腸桿菌的培養(yǎng)等實(shí)驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)，授課時(shí)將酵母菌、農(nóng)桿菌和大腸桿菌的導(dǎo)入知識(shí)具體化，也利于深化學(xué)生對(duì)真菌、細(xì)菌等微生物細(xì)胞知識(shí)的理解。

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出，學(xué)生要學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)方法和進(jìn)程等方面要有選擇和調(diào)控，勤于反思。本板塊知識(shí)聯(lián)結(jié)前置實(shí)驗(yàn)知識(shí)，促成學(xué)生學(xué)習(xí)策略的形成，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。

（四）重視生活與基因工程知識(shí)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生處理信息的能力，體現(xiàn)國家認(rèn)同與社會(huì)責(zé)任

中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)包含國家認(rèn)同與社會(huì)責(zé)任，即引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同國民身份和國家現(xiàn)有科技成就。社會(huì)責(zé)任層面又包含生態(tài)意識(shí)和責(zé)任擔(dān)當(dāng)，即使學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展理念，對(duì)未來有責(zé)任意識(shí)。

生活中，電視、網(wǎng)絡(luò)及雜志等媒體都有基因工程新成果的介紹。比如，2016年世界生命科學(xué)大會(huì)展示的冠鯉，也是轉(zhuǎn)基因并選育獲得的;2018年1月在頂級(jí)生物雜志Cell上的一篇研究報(bào)告展示了中國科學(xué)家克隆出了第一批非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物——食蟹猴，將這些科技進(jìn)展信息用于教學(xué)，可提升學(xué)生國家認(rèn)同感，增強(qiáng)作為公民的歸屬感和榮譽(yù)感。

基因工程進(jìn)展同時(shí)帶來諸多問題，如2012年“黃金大米”事件，2016年崔永元與方舟子有關(guān)基因工程安全性的論戰(zhàn);2017中美“百日計(jì)劃”中引進(jìn)美國牛肉等，引發(fā)學(xué)生多角度思考問題、理智處理問題，引導(dǎo)學(xué)生思考基因工程發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)效應(yīng)及出現(xiàn)的其他的安全問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)信息進(jìn)行多面分析，提高學(xué)生處理信息的能力，并培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

（五）重視該板塊知識(shí)與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，體現(xiàn)核心素養(yǎng)之實(shí)踐創(chuàng)新

基因工程內(nèi)容微觀而難以把握，在多數(shù)情況下教師以多媒體輔助教學(xué)，依然類似“紙上談兵”，動(dòng)手實(shí)踐才能使學(xué)生深刻把握，也加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)生物的興趣和提升學(xué)生自身的科學(xué)素養(yǎng)。中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)包含實(shí)踐創(chuàng)新，主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生在勤于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新方面的具體表現(xiàn)，提高學(xué)生批判質(zhì)疑和問題解決的能力。

隨著教學(xué)和知識(shí)的變化，高中階段開設(shè)分子實(shí)驗(yàn)是必然趨勢(shì)。為幫助學(xué)生理解微觀知識(shí)內(nèi)容，建議開展導(dǎo)入大腸桿菌這個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)課程，準(zhǔn)備連接產(chǎn)物、培養(yǎng)基和無菌試驗(yàn)條件，加之許多學(xué)校均有微生物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，可行性較高，能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基因工程知識(shí)的掌握和動(dòng)手實(shí)踐的體驗(yàn)感悟，達(dá)到拓展學(xué)生的生物科技視野和增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)意識(shí)的目的，為其進(jìn)一步鉆研生物類專業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1]楊江偉，張 寧，唐 勛，等.生物技術(shù)專業(yè)基因工程課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].隴東學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，30（5）：113-117.

[2]王鳳歡，馮 瀅，馬旭策，等.農(nóng)桿菌介導(dǎo)花生胚小葉遺傳轉(zhuǎn)化體系的優(yōu)化研究[J].河南農(nóng)業(yè)，2019（17）：23-25.

[3]范思宇.高中生物學(xué)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)中情境創(chuàng)設(shè)的應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2019.