研究生现代微生物学实验教学改革的研究

马玉超 李志茹 赵国柱 彭霞薇 何晓青 谢响明

(北京林业大学生物科学与技术学院,北京 100083)

微生物学是一门理论性和实践性很强的学科,实践教学是不可或缺的重要环节[1]。现代微生物学实验是生物学相关专业必修的一门基础课程,该课程对于培养研究生的操作能力、科研能力、创新能力和提高研究生的综合素质具有重要的作用。熟练掌握现代微生物实验技术是顺利开展课题研究的基础,更是将来面向社会就业的专业技能[2]。当代的微生物学利用生物技术、分子生物学技术等武器在人类的可持续发展中发挥着巨大的作用[3]。变废为宝、化腐朽为神奇力量的微生物越来越广泛地应用于工业、农业、医药、食品及环境保护等各个领域[4],这一新形式给大批基础扎实、知识面广、专业技术强、高素质的微生物专业人才提供了展示才华的良机;同时也对研究生现代微生物学实验教学内容和教学方法提出了更高的要求。

一、研究生现代微生物学实验教学中存在的问题

北京林业大学生物学院研究生微生物学实验原分配学时为20学时,由于学时的限制,实验内容由噬菌体转染、土壤样品中基因组DNA的提取、大肠杆菌感受态细胞的制备等几个独立的基础实验项目组成。鉴于以上情况,在教学过程中存在实验项目之间联系不够紧密、实验内容多以验证性实验为主、缺乏探索性和创新性的实验等问题,不能激发学生的学习兴趣,不利于培养研究生的科研思维和创新精神,从而严重影响了教学效果和教学质量。因此对研究生微生物实验教学思路的调整和教学内容的改革迫在眉睫。

二、研究生现代微生物学实验教学改革思路

研究生教育的一个重要目的是培养研究生独立从事科学研究的能力。科研能力是科学素质的核心,是人们运用已有知识和科学方法去探索新知识、解决新问题的过程中所形成的各种心理品质和能力,它是研究生应具备的最基本能力[5]。现代微生物学实验是研究生专业教育的一个重要过程,必须注意培养研究生独立科研的能力。因此,新的教学改革方案需要在增加现代微生物学实验课时的基础上,遵循基础性、应用性、前沿性、创新性和综合性的原则设计一套完整的实验内容。让学生在理解实验原理、增强实验操作能力的基础上,从中领会到课题开展之前文献调研的重要性,如何根据实验目的设计实验内容、实验方法、以及如何对实验结果进行分析等,以培养学生的科研思路和创新精神,强化学生的综合素质和实践能力,从而为顺利完成课题研究奠定基础,为将来面向社会就业增强竞争力。

三、现代微生物学实验教学的改革

(一)实验实施过程的改革

实验由新入学的2008级研究生共40人在北京林业大学生物学院微生物教研室全体教师指导下完成,研究生教学实验中心为实验提供场地,研究生院提供购买仪器设备和试剂的费用。实验班由原来的30人改为20人,实验组由原来6人一组改为4人一组,给予学生更多的操作空间,减少相互间的干扰,既充分给予学生动手的机会,又使他们在实验过程中能相互讨论、互相协作、互相监督、取长补短,保证动手机会和实验结果的有机统一,以提高教学质量。课时由原来的20学时改为32学时,每次4学时,每周2次,共上4周,教师根据实验内容和学生的情况灵活掌握。

(二)教学过程设计

分子生物学技术的迅猛发展对微生物学实验技术的渗透,极大地丰富了其内容并将其推进到一个新的发展阶段。针对微生物及学科发展的特点,我们从微生物菌种鉴定、功能基因克隆、代谢途径解析、微生物育种及微生物细胞的高密度培养等几个大的方面出发,设计了连续的实验过程,但大范围的实验需要分段、按课时实施。我们将整个实验过程拆分为5个小实验,使之尽量具有可分段操作性,在需要连续操作时又可灵活掌握。限于学时,在设计教学过程时,我们遵循的另一个原则是教师讲解与学生动手相结合。具体来说,就是教师的讲解要充分体现出一个比较完整的科研思路,学生动手操作其中的一个重要环节,让学生在掌握具体实验的过程中充分了解实验的目的和应用范围。我们以产植物生长激素IAA的固氮菌为研究对象,通过菌种鉴定、TAIL-PCR扩增已知部分基因侧翼未知序列、转座子随机敲除法解析IAA代谢途径、全局转录机器工程提高IAA产量、重组微生物细胞发酵罐高密度培养等完成整个实验过程,使学生得到一个完整的、综合性的训练。

1.菌种鉴定

菌种鉴定是微生物学实验的一个非常重要的基础实验,在本科阶段,微生物学相关专业的学生已经实践过生理生化、革兰氏染色、细胞大小的测量和细胞形态观察等实验。但是,对菌种鉴定并没有一个完整的认识(根据课上调查结果)。因此,我们主要针对如何鉴定微生物菌种这一主题向学生进行讲解,包括16S rRNA基因序列分析、DNA-DNA杂交、细胞脂肪酸含量分析、生理生化实验等。对于前三者的原理、实验方法进行详细的介绍、对于后者进行简要的说明。学生实践内容为16S rRNA基因的PCR扩增,然后送公司进行DNA测序。序列分析及系统发育树的构建为学生课后根据老师讲解的方法自行完成。此实验安排在4学时内完成。

2.TAIL-PCR扩增已知部分基因的未知侧翼序列

微生物学是一门应用性非常强的学科,对微生物的利用主要是对微生物细胞、微生物基因及微生物基因编码的蛋白的利用。因此微生物基因克隆在现代微生物实验教学改革中是一个非常重要的内容。我们针对微生物基因的克隆方法及已知部分基因序列的情况下如何克隆全长基因进行详细讲解,如简并 PCR、功能互补、Sourthern杂交、TAILPCR、反向PCR等。学生主要的操作内容为在已知固氮酶编码基因 nifH部分序列的情况下,采用TAIL-PCR[6]的方法进行全长基因的克隆。TAIL-PCR技术是基于PCR技术衍生出来的一种在已知部分基因序列情况下,克隆未知侧翼序列的快速、有效、省时省力的方法。因此理解此技术的原理、熟练掌握其操作方法对于多数研究生的课题研究都会有所帮助。此实验安排在6学时内完成。

3.转座子随机敲除法解析IAA代谢途径

20世纪50年代初期,美国冷泉港实验室遗传育种学家McClintock通过对玉米籽粒色斑不稳定现象的研究而发现转座现象,首次发现了能在基因组内不同区域转移的控制成分。它可以从遗传物质的一部分跳跃到另一部分,从而引起遗传变异,近年来已发展为研究微生物物质代谢途径的一种简便、有效的遗传工具。我们向学生详细讲解了转座子的转座机理、含转座子的质粒pRF1063a的构建思路和使用方法,让学生将含有pRF1063a质粒的大肠杆菌S17-1/pRF1063a通过接合的方式转入产IAA的巴西固氮螺菌sp7中,进而筛选IAA产量发生变化的突变株,再通过转座子定位IAA代谢途径中的关键酶编码基因。此实验充分体现了现代分子遗传学技术在微生物学领域的渗透。此实验安排在6学时内完成。由于实验所需的时间零散,周期较长,完成一轮实验需要大约1周的时间,因此实验在具体安排上存在很大困难。但是,学生们毫无怨言地克服了困难,而且热情很高,这一点充分体现了学生们非常渴望学习到与时俱进和实用型的新技术、新理论。

4.全局转录机器工程法提高菌株植物生长激素IAA产量

全局转录调控是2006年美国麻省理工大学的Alper等首次提出[7]的一种全新的改进细胞表型的定向进化方法,通过error-prone PCR、DNA shuffling等技术对细胞中的σ因子和其他转录原件进行多轮突变修饰,改变RNA聚合酶的转录效率和对启动子的亲和能力,使细胞的转录在整体水平上发生变化,导致许多由多种基因控制的细胞表型得以优化。本课程的主讲教师应用此法改善了红球菌对丙烯酰胺的耐受性。我们有这方面的工作经验,所以可以充分提供学生实验的素材,让学生了解微生物细胞遗传改造的先进理论和方法。此实验安排在8学时内完成,具体时间会根据实验情况和学生的情况有所调整。

5.发酵罐高密度培养技术在生产实践中的应用

发酵在微生物开发利用方面起到至关重要的作用。由于发酵实验本身存在一些特殊的性质(大型仪器数量少、不适合开展大规模的实验教学),所以,微生物相关专业的本科学生一般没有接触到这方面的实际操作。但是,大多数学生为完成硕士研究生课题研究又需要熟练掌握这一技术。因此,针对这一情况,我们设计了此实验内容。我们向学生详细讲解发酵罐的组成、详细的使用方法及注意事项,让学生独立操作完成发酵巴西固氮螺菌sp7生产植物生长激素IAA的整个过程。此实验安排在8学时内完成。

5个独立的实验体现一个完整的科研思路。在具有一个有特定功能(产植物生长激素并能够固氮)的微生物的情况下,如何鉴定微生物的菌种、如何研究其代谢途径、如何克隆功能基因、如何提高其产量、又如何大规模高密度培养,是完成微生物从理论研究到实际应用所必经的科研思路。在实验内容设计方面我们的独特之处是内容与时俱进、与教师的科研课题相结合。同时,教师们最大的感受是,实验内容的新颖性和先进性及学生的需求是激发学生学习兴趣的最重要因素。硕士研究生要在3年内完成研究课题,需要寻找一些与专业相关的先进有效的技术方法和理论。因此,对于刚刚本科毕业的学生来说,此课程具有极大的吸引力。

(三)实验能力考核的改革

我们设计了既能督促学生又能充分考察学生综合能力的考核方式,主要由以下3部分组成:①平时出勤情况、动手操作能力占 10%;②实验报告占60%;③实验汇报占30%。实验开始时学生要签到;实验完成后3天内交实验报告;所有实验完成1周后,以实验组为单位进行总结汇报,汇报内容为关键实验的原理、实验过程中遇到的问题、实验结果分析等。通过这样一种方式为学生提供一个开放式交流的机会,目的是加深学生对知识的理解和掌握。所谓开放式的交流,是指学生不仅可以讨论实验方面的知识,也可以讨论ppt制作、汇报思路、完成此课程之后的一些感受、学生们将来要面对的科研课题等一切学生和老师所想到和观察到的问题。

以上是北京林业大学生物学院微生物学专业针对研究生现代微生物学实践教学课程进行的改革。在实验思路上,我们根据研究生教学大纲和学生掌握的知识以及社会需求等情况进行较大的调整,以培养学生的创新能力和科研能力为指导方针;实验内容是结合教师目前在研和结题的科研课题以及微生物相关专业研究生的培养目标制定的,让学生在有限的时间内最大限度地学习到更多的与时俱进的先进试验方法和理论。在实验过程中,学生们上课积极性非常高,讨论异常激烈,教学效果非常好。

[1]何晓青,谢响明,李志茹,等.理科(生物学)基地微生物实验教学的研究与探索[J].中国现代教育装备,2009(4):123-125.

[2]李剑芳,田丰伟,张灏.“微生物学”教学与课程建设的几点体会[J].江南大学学报:教育科学版,2009(1):75-77.

[3]沈德中.环境和资源微生物学[M].北京:中国环境科学出版社.2003,1-5.

[4]谢响明,何晓青,彭霞薇.微生物学双语教学改革的研究与实践[C].苏州:2006年高等学校双语教学研讨会论文集,2006.

[5]周蕴薇.研究生科研能力培养途径探讨[J].中国林业教育,2006,24(6):42-43.

[6]LIU Y G.Efficient Amplification of Insert End Sequences from Bacterial Artificial Chromosome Clones by Thermal Asymmetric Interlaced PCR[J].Plant Molecular Biology Reporter,1998,16(2):175-181.

[7]ALPER H,MOXLEY J,NEVOIG T E,etal.Engineering yeast transcription machinery FOR improved ethanol tolerance and production[J].Science,2006(314):1565-1568.