生物技术专业特色实验材料的筛选与应用

王彦芹，郭 媛，韦晓薇

（塔里木大学 生命科学与技术学院，新疆 阿拉尔 843300）

一、实验材料的重要性

随着我国生物种质资源普查的全面开展，摸清种质资源的分布特点、发育特性，建立种质资源实体库和信息库，对保障国家食物安全、促进资源有效保护和高效利用具有重要意义。本科生实验课程结果的正确性不仅会激发学生学习的积极性和自觉性，还会激发学生开展大学生创新创业项目、参加学科竞赛的兴趣，进而提升学生的就业竞争力，或坚定其进一步深造从事科学研究造福社会的职业理想。成功的实验课程离不开适合的种质资源的选择或实验材料的选择。

二、实验材料选择的原则

（一）所选的实验材料易于操作

生物技术专业实验课程所用的材料，首先要易于操作，即让学生敢于动手。如对于以植物为材料、需要研磨的实验，一般选用幼嫩的茎或叶；一些要提取次生代谢产物的则往往需要已经木质化了的茎或根，这种情况要先用粉碎机破碎成尽可能小的粉末，再过筛收集更细小的材料。对于动物材料，如果没有特殊需求，往往选择日常生活中常见的小型动物，让绝大部分学生可以动手操作，不会因害怕而产生抵制情绪。对于微生物材料，往往使用普通培养基易于培养的菌株，并且所选菌株应该是不能感染人、不能造成环境污染的安全的菌株。

（二）所选的实验材料要保证安全、易于获得、成本低

在实验操作过程中，对于植物材料，可以从校园、城市绿化区、附近实习基地或周边农田采集，也可以在室内提前人工种植，还可以从市场购买，如瓜果蔬菜等；对于动物材料，一般从市场购买经过检疫的安全材料，或者选择指导养殖场养殖的安全动物，以保证操作者的人身健康；对于微生物，往往选用工程菌株，其特点是安全、易于培养且成本低。总之，对实验材料选择的第二个原则是保证安全、易于获得、成本低。

（三）实验材料的选择要尽量体现区域性特点

一所大学所处的地域不仅影响该所大学人才培养目标的定位，还为大学的发展提供了多方位多层次的导向和平台、场所、环境等支持。相反地，大学的科学研究和社会影响，也为该地区在各行各业所遇到的问题提供了相应的解决方案和措施。因此，实验材料的选择尽量能体现区域特色与优势，这不仅能让学生了解当地的生态环境特点、生物资源特色，还能使学生建立对学校和所在地区的感情，促进学生培养改善生态环境意识、发掘利用特有生物资源的兴趣与信心，同时将爱护环境、保护生态的课程思政元素自然而然地引入实践教学，具有积极的作用。

三、生物技术核心实验课程与特色课程实验材料的筛选及融合

（一）“生物化学实验”与“生物技术制药”课程的实验材料筛选及融合

“生物化学实验”是生物技术专业重要的学科基础实验课程，也是学生在个体水平认识植物、动物、微生物后，了解生物化学的重要课程。实验一般从生物体内分离糖类、核酸、蛋白质、维生素C等物质，并分析其含量。由于我校地处新疆南部，关于糖类的分离提取和测定，往往选用本地水果，如温宿县的冰糖心苹果、阿拉尔市的灰枣、哈密市的甜瓜。通过横向比较不同瓜果中糖分的含量，分析高含糖的原因。除了以上常规实验外，还设置了植物黄酮、生物碱等物质的分离提取及含量比较分析。在此实验中，常常采集塔克拉玛干沙漠中豆科植物新疆甘草、苦豆子的根、夹竹桃科植物白麻的根，提取并比较其中天然产物成分的多少，为医药产业提供参考，也为学生未来的就业、创业提供思路。

（二）“植物学”“植物生理学”与“荒漠化治理”课程的实验材料筛选及融合

塔里木大学位于塔里木盆地北部。盆地北起天山南麓山地，南至塔克拉玛干沙漠北缘，属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年降水量不足100 mm，年蒸发量（潜势）在1 900 mm以上。土壤盐碱含量高，夏季气温高，全年日照时数2 556.3～2 991.8 h，年平均气温8.9～11.4 ℃，夏季最高温度45 ℃以上。正是这种典型的荒漠气候孕育了典型的具有广谱抗逆性的植物资源［1］。植物生理学实验的主要培养目标是让学生了解植物的物质代谢、生长发育、环境适应等规律与机理，调节与控制以及植物体内外环境条件对其生命活动的影响。实验内容主要包括光合作用、植物组织水势测定、叶绿素的测定、过氧化物保护酶的测定、调渗物等的提取与测定。一般选择塔克拉玛干沙漠干旱-高温环境下的菊科植物花花柴、夹竹桃科植物白麻、茄科植物黑果枸杞、豆科植物骆驼刺等，干旱-盐碱环境下的藜科植物盐地碱蓬、盐穗木、猪毛菜、盐生草、盐角草等荒漠植物，具有新疆农业产业支柱之称的锦葵科植物陆地棉和海岛棉，来测定过氧化物保护酶、调渗物，从而评价植物的抗逆性，同时，与特色平台课程“荒漠化治理”相结合，为荒漠化治理、极端环境的生态恢复、高产稳产高质量农田的改良提供基础数据。让学生了解塔里木盆地、塔克拉玛干沙漠脆弱的生态环境及植物资源种类、新疆农业发展，培养学生爱护环境、恢复生态的理念和信心。

（三）“生物信息学”与“基因工程”课程的实验材料筛选及融合

生物信息学（Bioinformatics）是研究生物信息的采集、处理、存储、传播，分析和解释等各方面的学科，也是随着生命科学和计算机科学的迅猛发展，生命科学和计算机科学相结合形成的一门新学科。生物信息学通过综合利用生物学、计算机科学和信息技术揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘，是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，也是21世纪自然科学的核心领域之一。其研究内容主要包括基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学等系统生物学领域，即从核酸、蛋白质、代谢产物等出发，分析不同生物之间基因序列、蛋白质结构、代谢物种类和含量的差异，同一生物不同发育时期、不同组织器官中基因表达差异的生物信息。在该门课程的教学中，往往要选择基因、蛋白质、天然产物等相关数据库中具体的例子来分析。在数据选择中往往会将荒漠环境下典型植物，如前文中提到的豆科植物、菊科植物、夹竹桃科植物、藜科植物来源的组学数据与模式植物，如拟南芥、烟草、水稻的信息进行比较。通过这些数据的检索与文献查阅，让学生了解荒漠生物资源的珍贵与价值，也了解生物的分布与环境之间的关系，同时了解在生命科学快速发展的21世纪，依然有大量的种质资源未被开发利用。这也有利于培养学生追求真理的探索精神，解决问题的科研精神，以及创新意识和创新能力。

（四）“基因工程”实验材料的筛选应用

21世纪是生物科学的世纪。“基因工程”是利用分子生物学的一般原理阐述在“分子生物学”实验中所涉及的技术方法、原理和策略，是从事分子生物学研究的必修课程。“基因工程”课程承载了分子生物学所有的操作原理、技术及方法。在2020年之前，我校“基因工程”实验课包含PCR技术克隆绿色荧光蛋白基因GFP，然后通过琼脂糖电泳检测、目的基因回收、构建载体、制备感受态并转化、原核表达蛋白的提取及SDS-PAGE检测、转GFP基因的大肠杆菌的在荧光显微镜下的菌落观察等。近年来，我们尝试以微生物学科的教师分离或改造的来自塔里木盆地的产蒽酮霉素的放线菌为材料，通过发酵、诱导表达，分离提取蒽酮霉素并测定其含量。此外，还鼓励学生在综合性实验中以阿拉尔棉花常见的黄萎病菌、梨树常见的枝枯病菌、红枣树常见的火疫病菌为对象进行抑菌实验，从而分析所提取化合物的功能及应用前景；直接利用所分离的极端环境微生物资源或通过“基因工程”改造的微生物进行抑菌实验，发掘可用于生物防治的生物农药资源和生物肥料资源。这些微生物资源的发掘与利用、改良不仅为学生培养提供了本地化的实验材料，也与专业课程的教学目标紧密结合，还将教师的科研成果融于教学，实现了科研反哺教学、教学—科研互促共进、共谋发展的创新型育人目标；同时，这些课程中实验材料的选择与开发将为荒漠环境下脆弱的生态环境的恢复、荒漠化治理、高产稳产高标准农田的建设提供优良的微生物资源，同时将教学与本地特色林果业和农业发展需求相结合，体现大学的社会功能。

（五）“基因工程”实验与“细胞工程”实验课程的实验材料筛选及融合

“基因工程”课程作为生物技术专业的核心专业课程，不仅与“发酵工程”“酶工程”紧密联系，与“细胞工程”也密不可分，“基因工程”实验和“细胞工程”实验更是如此。无论是“基因工程”实验还是“细胞工程”实验，都需要植物再生这一关键步骤。在实验中，我校以生长于塔克拉玛干沙漠的植物花花柴为受体材料。花花柴又名胖姑娘、胖娃娃草，是菊科花花柴属多年生草本植物，在我国主要分布于新疆的准噶尔盆地和塔里木盆地、青海的柴达木盆地、甘肃西北部和北部、内蒙古西部等干旱、半干旱地区河谷冲积平原及沙质草甸盐土环境。花花柴叶片扁平且明显肉质化，体内有发达的储水组织，保水能力强；具有较低的萎蔫系数、较强的繁殖特性，叶片能积累大量游离脯氨酸等调渗物质以适应荒漠高温干旱环境［2］。作为重要的防风固沙植物，花花柴具有耐盐碱、耐干旱、耐高温以及耐沙埋等特性，而且生物产量极高，生长较好时亩产可达鲜草1 532.2千克或干草422.9千克，是一种改善荒漠地区生态平衡的重要植物资源。在前期研究中，新疆大学的张富春教师团队建立了花花柴高效再生体系。正因为具有耐盐、耐高温、耐干旱等广谱抗逆性的优点及已建立的再生体系，花花柴成为连接“基因工程”和“细胞工程”的特色实验材料。

我校生物技术专业的“基因工程”和“细胞工程”课程同时开设。为了提高实验效率和成功率，这两门课程的主讲教师通过协商，在开学第一周就带领学生制备培养基、接种花花柴的无菌苗，培养至2个月左右，以花花柴叶作为外植体进行基因转化，然后经过脱分化诱导愈伤组织的形成，进而产生胚性愈伤，再分化形成芽和根，但由于此过程所需时间大约4个月，该实验的后续结果要在下学期观察。

随着分子生物学的迅速发展，实验内容有了较大的改良，其中的验证性实验所占比例大大减少，而体现学生专业综合能力的综合型实验、创新型实验的比例大量增加。在“基因工程”实验中，我校现在的思路完全和“分子生物学”的研究思路一致。即以荒漠植物为供体材料，提取幼嫩器官的总RNA，再通过RT-PCR克隆基因，基因的克隆根据学生的兴趣和目标自行选择，对所克隆的基因通过琼脂糖电泳检测、目的基因回收、T-A克隆并测序分析所克隆基因序列的结构，然后为克隆的与预期目标一致的基因构建载体、制备感受态并转化、原核表达分析蛋白质分子量的大小。以上实验主要在微生物中进行遗传转化。在真核生物转基因模块中，则是以花花柴为受体材料，通过构建植物超表达载体（over-expression vector）、用于植物的RNA干涉（RNA interference,RNAi）载体、用于植物的病毒介导的基因沉默（virus induced gene silencing,VIGS）载体来浸染植物外植体，最终获得转基因的阳性植株，再通过相应的处理，结合生理生化指标的测定、表型变化来分析基因的功能，从而为基因资源的应用提供研究基础。

自2020年开始，在课程团队教师和研究生的共同努力下，本实验室克隆并构建了10余个荒漠植物抗逆相关基因的载体作为阳性对照，为本科生的“基因工程”实验顺利开展打下了坚实的基础。通过该课程的操作，让学生掌握“分子生物学”的研究思路和基本方法。允许有目标基因的学生选择自己课题的实验材料，克隆自己的目标基因，在完成实验课的同时完成“大创”项目，甚至毕业论文的部分内容。

四、未来对“生物技术实验”课程材料的筛选展望

随着生物技术的飞速发展、生物制造产业的兴起和生物技术产品的产业化、商品化，生物技术已经浸入农业、食品工业、能源工业、医疗卫生、新药研发等各个领域，形成了庞大且发展前景良好的生物制造产业。相应地，生物技术本科专业的发展及人才培养目标也将紧密地与社会需求、产业发展相融合，生物技术专业课程相关的实验也将从现在的经典验证型逐渐过渡到应用型和创新型，同时，实验材料的选择也会有大的变革。比如，现在的“基因工程”实验是教师带领学生克隆单独的基因，完成分子克隆技术的上游过程，可能在不久的将来，“基因工程”实验课程将结合育种4.0版的分子设计育种克隆大片段的DNA，不仅要研究结构基因的功能，还要分析基因的调控表达。目前是在室内开展研究，将来可能会利用植物工厂开展大规模的实验探索；主要采用野生型的个体开展研究，将来可能会从转基因材料中筛选相关的表型研究其生物学性状。但无论如何变化，实验材料的选择、发掘利用都将是研究成果及应用前景的决定性因素，这与我国开展第三次新疆科考的目的和意义高度吻合，因此，培养学生认识种质资源的重要性、提高学生保护种质资源的责任感具有重要的意义。