本科细胞遗传学核心实验的模块化教学探索

刘志祥 曾超珍

摘要    细胞遗传学实验是本科遗传学教学中的重要内容，但由于课时的限制往往无法全部完成。在对现有遗传学实验教材进行分析的基础上，按照模块化设计将细胞遗传学核心实验分解为染色体诱变技术、染色体标本制备技术、染色体分析技术3个模块，在此基础上开展综合性、设计性实验教学，以期为提高细胞遗传学实验教学质量提供参考。

关键词    细胞遗传学;核心实验;模块化设计;教学方式

中图分类号    G642;Q37.0        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）15-0255-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（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

遺传学是引领生命科学发展的基础核心学科，也是实践性很强的学科[1]。遗传学实验教学是理论联系实际，培养学生科学精神、思维能力和实践能力的重要环节[2]。遗传学实验课程在森林资源类、植物生产类等本科专业培养方案中是最重要、综合性最强的实验课程之一[3]。

本科遗传学实验教学按照实验内容可归类为经典遗传学、细胞遗传学、微生物遗传学、分子遗传学、数量与群体遗传学5个板块[2，4-5]。近年来，国内遗传学实验教学越来越重视分子遗传学实验教学，聚合酶链式反应、质粒提取与酶切、大肠杆菌转化等基础分子遗传学实验项目早已经进入遗传学实验课程，甚至一些较复杂的分子遗传学综合实验，例如QTL分析、RNA干扰等也已经引入到了遗传学实验课程[6-7]，从而使分子遗传学实验在遗传学课程实验中所占比例不断增加。这一趋势与现代遗传学的发展是相契合的，但也导致在总学时基本不变的情况下，细胞遗传学实验等经典内容势必被压缩。

面向森林资源类、植物生产类等本科专业，本文在对现有遗传学实验教材进行分析的基础上提出了细胞遗传学的核心实验，尝试按照模块化设计将其分解为染色体诱变技术、染色体标本制备技术、染色体分析技术3个模块，在此基础上探讨开展综合性、设计性实验教学。本文对在课时有限的条件下提高本科细胞遗传学实验教学效果具有一定的参考价值。

1    细胞遗传学实验教学的重要性

细胞遗传学是细胞学与遗传学结合的产物，它以染色体为研究对象，揭示染色体与生物遗传、变异与进化的关系。细胞遗传学经过长期的发展，与分子生物学结合发展成为分子细胞遗传学，并随着高通量测序等组学技术的发展进一步形成系统完善的细胞遗传学[8-9]。细胞遗传学在医学诊断[10]、倍性育种[11]、染色体工程[12]中具有重要的应用价值。因此，细胞遗传学实验在本科遗传学实验教学中具有十分重要的地位。

从Web of Science核心合集数据库中检索最近10年（2009—2018年）遗传学中2种热门的分子遗传学实验技术（基因编辑、RNA干扰）和3种经典的细胞遗传学实验技术[核型分析、荧光原位杂交（FISH）、染色体显带]相关SCI论文数量，结果如图1所示。由图1可知，作为新兴技术，基因编辑相关论文数量近年来迅速增加，自2016年开始每年相关论文数量均超过2 000篇，且呈逐年快速增加的趋势;RNA干扰虽然近3年相关论文数量呈下降趋势，但每年论文数量一直维持在5 000篇以上，是遗传学研究中的热门技术;在经典细胞遗传学实验技术中，染色体显带技术相关论文相对较少，基本稳定维持在每年100～200篇，但核型分析和荧光原位杂交相关论文数量近10年来均稳定维持在每年2 000～3 000篇;这表明细胞遗传学经典实验技术（核型分析、荧光原位杂交等）在生命科学研究中仍然具有相当重要的作用。

因此，在实验课时有限的前提下，以“综合性、设计性”为导向，如何高质量做好细胞遗传学实验教学是本科遗传学教学中需要解决的重要课题。

2    细胞遗传学核心实验模块化设计

2.1    细胞遗传学核心实验

目前，国内本科遗传学实验教材中收录的细胞遗传学实验项目主要有12项[2-5，13]，如表1所示。显然，受实验教学课时的限制，这些实验项目在教学中是无法全部完成的。在实际教学工作中，任课教师只能根据实际课时并结合实验室的条件从中选取少量实验项目进行，因而导致在细胞遗传学实验教学内容选取过程中往往存在一定的随意性。因此，有必要从细胞遗传学整体实验技术体系的角度对这些实验项目进行梳理和分析，确定哪些实验项目是细胞遗传学核心实验项目，在教学中优先保证这些项目的完成。由于细胞遗传学是以染色体为主要研究对象，因而染色体操作与分析是细胞遗传学核心实验技术。

2.1.1    核心实验。涉及核型分析、荧光原位杂交、染色体显带等，属于遗传学特色实验，基本不会与其他课程重复，更重要的是在现代遗传学研究和实际应用中仍然经常使用，在遗传学实验课程中应该尽量开设。因此，可以将之归为细胞遗传学核心实验。

2.1.2    非核心实验。植物组织培养、植物原生质体的分离再生不直接涉及染色体操作与分析，且与植物生理学、植物组织培养、细胞工程等实验课程存在重复，在遗传学实验中可不开设;有丝分裂和减数分裂过程中染色体行为的观察、果蝇唾腺染色体的观察、姊妹染色单体区分染色、植物微核检测属于比较经典的遗传学实验项目，在课时允许的条件下可以开设。

2.2    模块化实验教学设计

在遗传学实验教材中，所列的核心实验均为各自独立的项目（表1）。在实际实验教学中，可以采用模块化方法进行实验教学设计，既能在有限的课时内尽量覆盖全面的内容，又可以提高实验教学效果。按照所涉及的實验技术和目的，细胞遗传学核心实验可以分为3个模块，即染色体诱变技术（包括染色体数量变异与结构变异）模块、染色体标本制备技术模块、染色体分析技术模块（图2）。

按照设计方案，现有遗传学实验教材中原本分散独立的细胞遗传学实验按照其所涉及的实验技术整合形成3个教学模块，在实验教学过程中可以根据实验室具备的条件进行这3个模块要素的自由组合，形成综合性实验项目，例如：①基于45s rDNA-FISH的植物染色体组型分析;②结合C-显带技术和重复序列为探针的FISH识别植物的染色体;③基于FISH技术鉴定植物异附加系材料;④基于特异性重复序列探针鉴定植物异源多倍体材料。

3    细胞遗传学综合性实验教学方式

开展综合性、设计性实验，对实验教学的组织提出了更高的要求。因此，需要在实验教学方式上进行相应的调整。

3.1    做好实验前的准备工作

综合性、设计性实验需要学生提前做好资料收集、实验设计、实验准备。因此，教师一般需要提前2周以上向学生布置实验任务。一些实验材料需要准备的时间很长（例如远缘杂交及回交），只能由任课教师提前完成，但最好能向学生提供准备过程的照片、视频等，以使学生具备直观的认识。

3.2    发挥研究生的助教作用

综合性、设计性实验往往程序较复杂，实验过程较长，时间跨度较大，仅依靠课程课表上的时间往往无法完成实验，而任课教师通常也无法抽出更多的额外时间全程陪同和指导。所以，发挥研究生助教的作用不失为恰当的解决方法。将学生分组并分配研究生作为助教，这样既能使学生及时得到指导，另一方面研究生也得到锻炼，完成了其培养方案中的教学实践工作。

3.3    科研反哺教学

开展综合性、设计性实验对仪器设备要求较高。部分实验设备，尤其是一些大型贵重仪器设备，本科教学实验室可能不具备。国家级、省部级科研平台的仪器设备往往较为先进、齐备，是解决教学仪器不足的途径。只要管理得当，不对科研造成阻碍，可更大程度地发挥科研仪器设备的价值。此外，结合教师的科研项目，可以引导学生在教师科研项目框架内开展设计性实验。在此过程中获得的具有理论创新或应用价值的成果可以鼓励学生撰写并公开发表论文，从而实现教学与科研相互促进。

4    结语

细胞遗传学实验是森林资源类、植物生产类本科专业遗传学实验教学中经典、特色内容，在遗传学基础研究和实际应用中具有重要价值，因而细胞遗传学实验教学必须重视。在总实验课时有限的条件下，建议优先保证由染色体诱变、染色体标本制备、染色体分析三大模块构成的细胞遗传学核心实验的教学。各高校根据自身教学与科研平台情况、科研领域等开展综合性、设计性实验教学。在此基础上，通过实验教学材料共享、教学案例报道等，将进一步推进国内遗传学教学质量提升，促进高素质生命科学人才的培养。

5    参考文献

[1] 张永清，薛勇彪.遗传学：生命科学领域的引领学科[J].遗传，2018，40（10）：791-793.

[2] 赵凤娟，姚志刚.遗传学实验[J].2版.北京：化学工业出版社，2016.

[3] 刘向东，李亚娟，郭海滨，等.普通遗传学综合性实验[M].北京：中国农业出版社，2011.

[4] 郭善利，刘林德，周国利，等.遗传学实验教程[M].北京：科学出版社，2004.

[5] 李雅轩，赵昕.遗传学综合实验[M].2版.北京：科学出版社，2010.

[6] 宋亚坤，张敏，王翘楚，等.利用RNA干扰技术沉默基因表达在本科实验教学中的设计与实践[J].遗传，2019，41（7）：653-661.

[7] 乔守怡，林娟，吴敏，等.遗传学分析实验教程[M].2版.北京：高等教育出版社，2017.

[8] HENG H H，HORNE S D，CHAUDHRY S，et al.A postgenomic perspec-tive on molecular cytogenetics[J].Curr Genomics，2018，19（3）：227-239.

[9] HENG H H Q，REGAN S.A systems biology perspective on molecular cytogenetics[J].Curr Bioinform，2017，12（1）：4-10.

[10] SALDARRIAGA W，GARCIA-PERDOMO H A，ARANGO-PINEDA J，et al.Karyotype versus genomic hybridization for the prenatal diagno-sis of chromosomal abnormalities：a metaanalysis[J].Am J Obstet Gynecol，2015，212（3）：330.

[11] HOSHINO Y，MIYASHITA T，THOMAS T D.In vitro culture of endosp-erm and its application in plant breeding：approaches to polyploidy bre-eding[J].Sci Hortic，2011，130（1）：1-8.

[12] CHAN S W L.Chromosome engineering：power tools for plant genetics[J].Trends Biotechnol，2010，28（12）：605-610.

[13] 杨大翔.遗传学实验[M].北京：科学出版社，2004.