基于科研创新能力培养的综合型拓展实验研究与实践

却志群　沈春修　王舸泓　李丽娜

摘要：为了培养学生的科研兴趣和创新能力，使学生了解学科前沿，掌握新技术和新方法，缩小理论与实践距离，结合教师科研部分成果设计了金色颖壳水稻种质资源创制研究综合型拓展实验，包括选题的背景、实验内容、实验结果、教学实施及教学效果等。实践结果表明，选题结合实际，学生参与感强，在完成综合型实验过程中，学生文献查阅能力、动手实操能力、科研兴趣和创新能力都得到了很大提高。这种新的教学模式适合在我校更大学生群体中推荐与推广。

关键词：综合拓展实验;创新能力;遗传转化

高效的人才培养主要是通过教学和科研活动来实现的。教师在长期的科研活动中所取得的成果，转化为教学资源，是对实验教学内容的补充，也是实验教学模式的更新。通过这种模式缩小了理论与实践距离，促进了学生实践能力和创新能力的提高，也促进了实验教学的改革。农学专业是我校传统优势专业，在学科建设、基地建设、实验室建设等方面都取得了很大成绩，为了更好地利用这些资源，弥补实验教学中出现的实验项目独立、前后项目无关联、综合型项目偏少，理论与实践联系不紧密、学生动手实操能力不足等问题，结合教师的科研成果，设计了一个覆盖本专业育种学、基因工程、分子生物学、植物组织培养等多门主干课程知识点的综合型拓展实验项目：金色颖壳水稻种质资源创制研究，该实验选题结合实际，学生参与感强，在完成综合型实验过程中，学生文献查阅能力、动手实操能力、科研兴趣和创新能力都得到了很大提高。

1选题背景

CRISPR/Cas9（clustered regulatory interspersed short palindromic repeat）基因组编辑技术是近年来发展的一种新型靶向基因敲除技术，由于其突变效率高、制作简单及成本低的特点，被认为是一种具有广阔应用前景的基因组定点改造分子工具，将对生物学的基础研究与应用产生深远的影响。本项目在课题组前期研究基础上拟采用农杆菌介导法，将携带了靶标位点的CRISPR/Cas9植物基因编辑表达载体pSK51-Cas9-OsCHI转入水稻受体材料TP309，获得部分植株并对其进行潮霉素筛选标记基因阳性鉴定，最终通过表型鉴定筛选获得金色颖壳的突变植株，为后续深入研究打下坚实基础。

2实验内容

选用水稻TP309成熟种子，采用农杆菌介导法，通过水稻愈伤组织诱导、愈伤组织的农杆菌浸染及共培养、抗性愈伤组织的筛选、抗性愈伤组织的潮霉素基因特异引物检测、T代植株再生等几个步骤完成实验。实验设计思路完整，各实验项目之间联系紧密，内容涉及多学科知识点。

3实验结果

3.1农杆菌介导的遗传转化

对pSK51-Cas9-OsCHI农杆菌转化子进行活化、悬浮后，使用适当浓度的农杆菌菌液侵染受体水稻品种TP309的胚性愈伤组织;经过共培养后，将愈伤组织接入到筛选培养基（含50mg/L潮霉素）上;经过2次筛选后，愈伤组织的生长得到明显的抑制。挑选增殖明显的、生长良好的阳性抗性愈伤组织转移到分化培养基上，经分化培养和生根培养等实验过程后，携带了靶标位点的CRISPR/Cas9植物基因编辑表达载体pSK51-Cas9-OsCHI获得了转化苗（图1）。

3.2抗性愈伤组织的潮霉素基因特异引物检测

取筛选培养基上的抗性愈伤组织用镊子夹碎成两半，一半接种到分化培养基上，另一半于55℃干燥箱中烘2h后提取DNA，然后进行潮霉素基因特异引物分子检测，结果表明，大部分的抗性愈伤组织都呈现潮霉素阳性（图2）。

M：DNA ladder;l：清水对照;2：野生型阴牲对照;

3-13：阳性抗性愈伤组织

图2抗性愈伤组织潮霉素引物PCR阳性鉴定

3.3植株的表型观察

将经过炼苗的植株移栽一段时间后，突变体在抽穗期，呈现出明显不同于野生品种的金色颖壳（图3）。进一步观察发现，除了稻颖变成金色，种子形状和其他性状均没有发现异常。这些结果表明，本综合拓展实验成功获得了通过定向编辑水稻OsCHI基因的金色水稻种质资源。

4教学实施

农学专业学生经过两年的学习，已经完成了生物化学、基因工程、植物组织培养、分子生物学、遗傳学、育种学相关课程的理论知识和实验技能的学习，因此，该综合性实验安排在大三上学期，4～16周的课余时间。此次综合拓展实验项目是首次开设，充分尊重学生的意愿和兴趣，在大二下学期课程结束前两周，指导教师把实验项目的内容、目的、要求及大致实验方案等以PPT的形式通过QQ和微信等网络平台发放给学生，学生自愿报名参加。大部分学生持观望态度、少部分学生不感兴趣，最终报名学生8人。为了便于后期研讨与管理，将8名学生分成两组，每组4人（1名组长，3名成员）。实验前2周，教师召集所有学生布置实验前的准备工作，并给学生发放实验项目相关资料，要求每组学生根据资料信息整理出详细实验步骤及注意事项，然后发回给指导老师修改完善。方案定好后，开始正式实施。正式实施阶段每隔一个礼拜，组长要给教师汇报本周实验进展，共同探讨前期实验效果及后续实验安排。实验全部结束后，每个学生要提交一份完整的实验报告和一份实验心得体会。

5教学效果

在本次拓展项目中，学生作为主体参与了实验方案的设计、实验过程及实验结果的分析，最终取得如下实践成果：（1）熟练掌握了水稻遗传转化体系及鉴定工作，学会了规范化操作流程，提高了动手实践能力。（2）精通文献检索和查阅技能，为毕业论文和项目申报书的书写及参与科研工作提供了便利。其中5个学生加入指导教师科研团队，从事简单科研工作，并发表核心期刊论文2篇。（3）通过完成拓展项目，开阔了学生视野，丰富了学生课余生活，也为申报各类竞赛项目做了铺垫。8个学生以团队的形式在不到2年时间里，成功申请了2项大学生创新实践项目。（4）学生积极了解本专业最新科研动态，增强了学生的科研探索意识，培养了科研兴趣。参与的8名学生有7名同学分别考取了中山大学、华中农业大学、南京农业大学、华南农业大学、长江大学的研究生。

6小结

综合型拓展实验项目选题来自教师科研部分成果，是科研反哺教学的体现。该实验设计到的操作技术融合了分子生物学、基因工程、植物组织培养等多门学科的基础实验，把独立实验项目连接成一个整体，有利于学生形成良好的知识架构。通过实验学生收获了水稻颖壳颜色突变的植株，为该技术在水稻育种生产上的进一步应用提供了技术支撑。缩小了理论向实践转化的距离，体现了知识的应用价值。总之，这种新的教学模式在小范围学生中的实施已取得较好效果，在后续的教学过程中，为了覆盖更多的学生群体，将从项目选题多样化和引入不同的教师科研团队进行推广和实施两个方面进一步优化，为最终培养适应社会需求、综合能力强的高质量本科人才提供参考。

*通讯作者：沈春修（1979— ），男，汉族，湖南溆浦人，副教授，研究方向：作物遗传育种教学与科研。