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遗传病种类繁多且各有其特点,若纯粹照本宣科,介绍其临床表现、发病率、遗传学基础等往往使得课堂气氛沉闷,课堂教学缺乏生机与活力且效率不高。因此,教师在教学中可以采取结合临床病例进行讨论的教学方法。如在讲授血友病时,通过播放一部香港电影《地久天长》中的片段,使学生产生一个悬念,剧中的青年作家小富为什么经常受伤,为什么有生命危险?从而希望知道这是一种怎样的疾病?发病机制是什么?遗传方式是什么?怎样去治疗?带着这一系列的问题,我们的讲解就会吸引学生的注意力,使其仔细听讲。最后,我们解开谜底,这是一种叫血友病(hemophilia)的遗传性疾病,主要包括血友病A、B、C,是一类遗传性凝血功能障碍的出血性疾病,主要临床表现是反复自发性或在轻微损伤后出血不止。血友病A、B、C的发病机制分别是由于第VⅢ凝血因子、第Ⅸ凝血因子及第Ⅺ凝血因子的遗传性缺乏。再结合我校遗传资源库中相关家系的临床资料,让学生参与,在教师的指导下绘制系谱,总结系谱特征。讨论中要求每位同学将自己学习到的医学遗传学知识及收集到的有关资料进行整理、综合和分析,最后经过推理得出自己的结论。从系谱分析中可以看出血友病A和B都是X连锁隐性遗传病,几乎全部发生在男性身上,而血友病C为常染色体隐性遗传病,男女均可患病,若临床遇到女性血友病患者,应考虑为血友病C。该病的治疗主要是输入人血浆中提炼或通过重组技术合成的凝血因子,但到目前为止,血友病无法根治、会伴随终身。我们在实际教学中发现临床病例与理论知识比较,有其直观性,生动性的特点,具有吸引力,在医学遗传学课中采用理论知识与临床实践相结合的教学方法可以使学生利用很短的时间就把抽象的概念和过程理解掌握。在教学中既活跃了课堂氛围,又拓展了学生的思维,同时加强了学生的职业情感教育。但这种教学方法要求我们在备课时精选与教学内容紧密相扣的典型突出的病例,其次要注意的是在病例讨论时要将重点放在该病的遗传基础及发病机制上,而讲解患者的临床表现及特征不应花费过多的时间。
适时关注科技动态,拓宽知识视野
使学生了解学术研究的最新成果、最新进展,可以不断充实丰富教学内容,让学生在课堂上学到更多的知识,并且启迪心智,进一步激发学生探索高科技领域的创新热情。如在讲授人类基因组计划(HGP)时,结合后基因组计划中工业基因组学可以给学生介绍20世纪90年代英国罗斯林研究所的科学家利用体细胞核转移技术培养出来“多利羊”的简要过程,接着提出“是否可以克隆人”的问题,在课堂上展开讨论,同时可以给学生介绍克隆技术的应用前景。通过“多利”这一案例的应用,学生兴趣盎然,情绪高涨,发言积极踊跃。而在多基因遗传病的教学中,结合我校皮肤病研究所先后发现白癜风、麻风病等复杂皮肤病易感基因,引出复杂疾病的基因定位、克隆有关的关联分析,以及连锁分析,以及当前科学界公认的搜寻复杂疾病易感基因最为有效的研究方法之一———全基因组关联分析(genomewideassociationstudy,GWAS)等多基因遗传病的研究方法。实践证明,通过发生在身边的最新科研动态来激发学生对本学科的关注和热爱,有助于丰富课堂教学内容,弥补教材相对滞后的不足,不仅可以满足学生对新知识的渴求,开拓学生的视野,开启学生的智慧,增强学生的创新意识,还有助于提高学生的学习积极性。
针对社会对人才培养质量的要求,结合地方院校的实际,对遗传学实验教学改革进行了探索.通过优化实验内容,丰富实验材料,运用现代教育技术,开放遗传学实验室,建立实验评价体系等途径,培养学生的专业实践技能和创新能力,提高学生的综合素质.
关键词:
地方院校;遗传学实验;教学改革
遗传学实验是高等学校生物类专业的必修课.通过遗传学实验教学,对于培养学生动手能力、遗传研究能力,以及学生发现问题、分析问题和解决问题能力[1],具有重要的作用.但是,现行的遗传学实验教学中,普遍存在以验证遗传的基本规律为主,缺乏综合性、研究性实验;多数遗传学实验经历时间长,一次实验课仅有约3学时,许多实验操作不得不由教师代替完成,学生真正动手操作时间较少,很难对学生开放实验室;教学手段上以一台显微镜打天下,实验内容多局限于细胞遗传学范围内;实验成绩评定上,不管实验过程和结果,只要实验报告写得好,实验成绩就高.这些问题制约了学生发现问题、分析问题、解决问题能力和动手能力的培养[2-5].面对这些困难和挑战,必须改变实验教学的传统思想和观念,开辟实验教学新思路,构建适应新形势的新型实验教学模式.为此,我们针对社会对人才培养质量的要求,结合地方院校的实际,对遗传学实验教学改革进行了探索,取得了一些成效.
1优化实验内容,构建合理的知识体系
遗传学科的不断发展和研究领域的不断扩大,遗传学实验与生物专业中的很多学科的实验相互渗透、相互联系.在遗传学实验教学中,我们对实验体系和教学内容做了如下改革.
1.1实验教学体系的建立
遗传学实验教学既要符合人才培养的目标要求,又要尽可能反映本学科的特点.对遗传学实验的课程结构进行了调整,建立了“验证性→综合性→研究性”逐层递进的实验教学体系,从生物的个体水平、细胞水平、分子水平和群体水平等方面确立了5个教学模块,有利于系统培养学生的遗传研究技能,拓宽学生对遗传学知识的理解,提高学生的动手能力、综合实验设计能力和创新能力[6-7].
1.2实验内容优化整合
将遗传学实验内容整合为以下5个教学模块:经典遗传学实验模块.以果蝇或玉米杂交实验为基础,在教师的指导下,学生完成从实验方案的制定、杂交组合的选择,到实验操作、观察和记录、显著性分析等全过程.目的在于验证和分析遗传的基本规律,学习杂交技术.该模块实验项目有果蝇杂交综合性实验,玉米杂交综合性实验.细胞遗传学实验模块.以根尖、花蕾或骨髓等细胞制片技术为基础,学习实验材料的培养和处理方法,细胞制片技术,有丝分裂和减数分裂观察,核型分析方法.该模块实验项目有植物核型分析,动物核型分析等综合性实验,花粉母细胞减数分裂的制片技术,果蝇唾腺染色体的制片技术和人类X染色质观察等.分子遗传学实验模块.通过动植物、细菌DNA的提取、纯化、扩增和电泳,得到DNA标本,为进一步研究DNA的功能奠定基础.该模块实验项目有DNA提取及纯化,PCR扩增技术,DNA电泳技术等研究性实验.遗传毒理学实验模块.运用蚕豆根尖微核技术检测环境中的有毒有害物质的遗传毒性把对比试验法、假说演绎法等科研方法运用于实验中;人工诱发多倍体,为多倍体育中奠定基础.该模块实验项目有诱变物质的微核检测技术,植物多倍体诱导技术等设计性试验等.群体遗传学实验模:通过人类ABO血型或PTC尝味调查和分析,计算其基因频率和基因型频率,经假设性检验,判断是否达到遗传平衡.该模块实验项目有人类ABO血性分析,群体遗传平衡分析(PTC尝味)等.在上述5个教学模块中,验证性实验占40%,综合性和研究性实验各占30%.要求学生以实验小组为单位,在每个模块中至少选1~2个实验项目.这5个教学模块的特点是:从不同层次、不同角度学习研究生物遗传的方法;除个别实验项目开成单独实验外,其余大部分实验均开成综合性或研究性实验,把几个内容上联系紧密的实验开成1个综合性或研究性实验.如把根尖制片技术、有丝分裂观察、核性分析3个实验综合为植物的核型研究.综合性或研究性实验要求学生完成从选题、收集和分析资料、设计实验方案,到动手操作到结果分析和论文撰写全过程.在实验结束后,学生汇报实验成果,请有关老师参加实验成果汇报答辩,对实验进行总结,提出建议[8-9].最后,根据实验报告、答辩情况综合评出实验成绩.实践结果表明,综合性或研究性实验不仅可以加深学生对基本知识的理解,而且还可以掌握更多的实验操作技术,锻炼学生的实践动手能力,提高学生的学习兴趣,还能培养学生的科学分析方法、独立操作和解决实际问题的能力,极大地激励了学生的积极性[10-12].
2丰富实验材料,提高实验教学的创新性
传统的遗传学实验,由于实验材料的局限性,常常选择操作方便、容易得到实验结果的果蝇或洋葱做实验材料.选择单一的实验材料,不仅影响学生对遗传规律的普遍性的全面理解,而且也不利于创新精神的培养.因此,在实验中,要求每次实验至少准备3~5种不同的材料供学生选择,学生也可以自己采集实验材料.有了丰富的实验材料,要求学生分组观察不同的材料,甚至有的学生另外选择材料进行观察.如核型分析实验,实验室提供的材料是植物材料如蚕豆、大蒜、洋葱、黑麦,动物材料小鼠、牛蛙,有3组同学还分别选择了铁皮石斛、川贝、宽体沙鳅等经济价值很高的材料做核型分析.丰富的实验材料,不仅能完成实验任务,达到实验目的,而且能拓宽学生视野,培养学生发现问题、主动探索新知的创造能力[13].
3运用现代教育技术,提高实验教学效果
遗传学实验从材料准备到实验结果,时间长,有的几天,有的几十天,学生很难通过讲解理解实验的全过程.有些实验现象、仪器操作等用讲解的方式教学,不直观、不形象,学生难以理解.现代教育技术能图文声像并茂,动静结合,使教学内容直观形象,很容易使学生理解.因此,在遗传学实验教学中,充分应用现代教育技术,能使复杂问题简单化,抽象问题具体化,帮助学生加深理解,提高实验效果.
3.1录像技术在遗传学实验教学中的应用
采用数码摄像机或稍好一点的手机等记录整个实验过程,再对实验全过程进行编辑处理,制成视频报告.学生提交的视频报告,既能反映实验全过程,突出重要的实验现象,又不失实验的真实性.例如,蚕豆根尖微核技术实验,从蚕豆发根,染毒处理和对照处理,恢复培养,根尖固定、解离、制片,以及实验结果,都让学生定期拍摄实验过程和实验现象,制成视频资料提交.视频资料不仅记录了从学生自己亲自动手准备实验,到观察到实验结果的全过程,而且实验结果客观真实,还能发现一些容易被忽略的问题,有利于提高教学效果[14].
3.2多媒体技术在遗传学实验教学中的应用
在观察动植物细胞有丝分裂、减数分裂实验中,学生难以观察到各时期的分裂细胞,对细胞分裂的动态过程缺乏整体认识.充分利用计算机强大的计算及数据处理功能,将文本、图像、声音、动画及视频等多媒体信息结合在一起,将细胞分裂的各时期图像按先后顺序制成Flas,连续播放全过程,增强了学生对染色体动态变化的理解,为学生创造了全方位的学习途径[15-16].通过应用多媒体技术,可以充分调动学生的学习兴趣,更有利于学生理解有丝分裂、减数分裂过程,掌握有丝分裂、减数分裂各时期的特点,使他们在较短的时间内全面、系统地掌握实验原理和实验过程[14].
3.3数码显微互动系统在遗传学实验教学中的应用
数码显微互动系统由数码显微镜、局域网、投影仪实物展示平台等组成,不仅能展示每个学生显微镜下观察到的内容,进行及时的显微摄影,记录实验结果,将实验效果好的展示在投影屏幕上,让全体同学都能观察到.而且还能进行师生交流,及时解决学生的问题.例如用数码显微系统做多线染色体观察实验,实验难点是不易辨认立体显微镜下的唾液腺,将显微镜下的果蝇唾液腺和唾液腺染色体图像及时投影在大屏幕上,让学生看到实在的唾液腺和唾液腺染色体,增加感性认识,互相学习,大大提高实验的成功率.
4开放遗传学实验室,培养学生的实际工作能力
开放式实验教学是培养学生实验操作技能、创新意识、综合分析问题和解决问题能力的重要途径.根据遗传学实验室的开放对象:综合性、设计性实验,大学生科研,毕业论文等实验项目.开放程序:学生根据教学和科研要求,自己查阅资料,设计实验方案,提出实验申请,经指导教师和实验员同意,实验室主任批准后方可进入开放性实验室.在教师的指导下,从实验材料的培养和准备,药品的配置,方案的实施,到最后写出实验报告等全过程均由学生独立完成.在整个过程中,充分体现以教师为主导,学生为主体.在核型分析、果蝇杂交和蚕豆根尖微核技术实验中,实验周期较长,过去由教师准备实验材料,学生实验只是进行结论的验证和练习操作技术,很难完成整个实验过程.在植物细胞核型分析的开放式实验教学中,从资料查阅,方案的制定,根尖的培养、固定、解离、制片、观察、摄影,染色体图片分析等操作过程,都让学生自己去处理,教师只起指导作用.又如果蝇的杂交实验中,学生参与培养基的配制、果蝇的饲养、果蝇的分瓶及果蝇形态的初步观察,杂交组合的设计,处女蝇的收集,观察记录,数据处理等过程都由学生自主完成[14,17].实践证明,在遗传学实验教学中,开放实验室,积极开设综合性和研究性实验,教师做好学生学习的引导者[13].学生通过自主选择喜欢的实验内容,自己查阅资料,设计实验方案,以科技论文的格式提交实验报告,既增强了学生的科研能力、自主学习能力和合作共事能力,为今后毕业论文和独立开展科学研究奠定了良好的基础.
5以量化考核为重点,建立实验评价体系
遗传学实验效果评价是否客观、科学,直接影响着学生的学习动力、学习态度、学习效果和教学效果.目标是评价的依据,又是评价所致力于达到的终极结果.通过多年的实践,根据教学目标将遗传学实验效果评价分为形成性评价和终结性评价.
5.1形成性评价
评价的内容包括实验预习、实验过程、实验结果、实验报告与考勤等环节进行评价.每一次实验满分100分,实验预习占10%,实验设计方案占20%,实验材料、仪器、药品的准备占10%,实验检测、观察、记录等实验过程占20%,实验结果及分析占20%,实验报告占20%.实验预习要求学生在实验报告上写出实验目的、原理、操作步骤和注意事项等,实验前抽查.实验过程包括材料准备、药品配置、仪器使用和操作程序等.实验结果是交玻片标本、图片或数据及处理等.实验报告要求工整、规范,内容包括实验预习内容、操作步骤修正部分、实验结果照片或绘图、实验数据及其处理、分析与讨论、心得与建议.考勤上,每次实验进行中按桌点名,不参加实验者无实验成绩,必须补做实验后才有成绩.一期内实验缺3次者,不得参加期末考试.研究性实验要进行报告和答辩的实验,报告和答辩各占20%,其余环节占60%.
5.2终结性评价
遗传学实验作为一门独立课程单独考核,实行满分百分制,形成性评价占50%,其中基础实验占20%,综合性实验和研究性实验各占15%;期末考试占50%,二者合起来作为这门课的终结性评价.这种评价体系不仅强调过程,突出动手能力,结果真实,而且能促使学生主动参与,培养学生科研素质、创新能力.在遗传学实验教学中,加大考核力度,对培养学生的综合能力和科学方法具有重要作用[5,18-19].期末考核试题内容涉及实验目的、原理,药品配置,材料培养和处理,操作程序,仪器使用方法,实验设计,实验操作(实验室独立完成)等方面.在遗传学实验教学中,应以学生的创新能力培养为目标,改革遗传学实验教学内容,开放式的遗传学实验教学,多样化的考核方式,这对培养生命科学领域中的创新人才具有重要意义.
作者:唐正义 李兴霞 单位:内江师范学院生命科学学院
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笔者主编的《遗传学实验》自2004年出版以来,承蒙读者厚爱,连续印刷了7次。最近笔者对原教材进行了一次较大规模的修订,修订版教材至今重印了3次。两版教材在本科教学中发挥了一定的作用。本文拟谈谈在该教材编写及修订中,力图激发学生学习兴趣的一些想法及做法,算是在实验教材改革中“凑个热闹”,以期拋出引玉之砖与诸位同仁共同探讨。
一、国内遗传学实验教材中存在的一些问题
据国家图书馆藏书记录的不完全统计,自1979年以来,国内出版的普通遗传学实验教材约有30多种。近年来,一些作者力图打破传统教材的写作模式,努力写出一些新意,但总的来说,国内现有教材尚存在不少不尽如人意的地方。
一是背景知识介绍过于简单,同时又没有提供参考文献或进一步的读物让学生深入阅读。以“果蝇的形态、生活史及饲养方法”这一实验为例。果蝇可以说是世界上研究得最为深入的生物,有关它的文献真可谓丰富。但为数不少的教材写这个实验时,引言部分仅短短的一段,甚至不足300字丨很难想象如此浓缩的文字能让学生充分了解果蝇这种经典模式生物的优点,以及它在遗传学研究中所起的作用。遗传学研究中除果蝇外,还有众多的模式生物。这些模式生物都是些什么?选择模式生物一般都考虑些什么?为什么选择模式生物?这些问题是学生做这个实验时问得最多的。但在这段引言中见不到只言半语。如此惜墨如金或许可以解释为“篇幅限制”,但无论在这个章节最后,还是全书最后,都无法找到相关文献,或引导学生课前或课后深入阅读,或说明作者写作时所引用的信息“典出何处”。学生要看文献,还得自己现找,而作为初学者,学生通常是很难知道哪些是经典文献的。这就失去了作为一本入门教材的引导作用。背景知识简单,大多缘于二手文献多,原始文献少,甚至没有。这是国内实验教材编写的通病,或许这也正是一些教材内容陈旧、缺乏特色、以讹传讹、相互抄袭的重要原因。例如果蝇有多少突变性状?不少教材写的是400或几百种(笔者自己在第一版教材中也传了一次讹),而Lindsley等在文献中记录了4000余种自发或诱发的基因突变,9000余种染色体重排。如果我们在写作时能认真地查一查原始文献,就可以避免这些本不该发生的错误。
二是知识陈旧,缺少科学趣味。以经典实验“果蝇睡腺染色体的制备与观察”为例。在背景知识部分,国内教材的写作模式几乎如出一辙,内容大致包括睡腺染色体的形成原理、尺寸、特征、在研究中的意义。这些知识大部分还是二十世纪三四十年代的。像睡腺染色体的原位杂交技术这么重要的技术进展在这段引言中竟只字未提丨读完这段引言,学生记住了几个陈旧的结论。但睡腺染色体在形态上与普通的染色体有很大的差异,学生如何知道它本质上是一种染色体?这种特殊的染色体与普通的有丝分裂的染色体之间的对应关系是如何建立的?用什么材料制备、观察果蝇的有丝分裂中期的染色体?睡腺染色体在分子遗传学及基因组时代究竟起到什么样的作用?诸如此类学生最感兴趣、最希望了解的知识在这段引言中却无法看到。看完这段引言,学生无从知道作者所提到的结论如何得来,感受不到前辈科学家在获得这些结论时曾做的努力,体会不到科学研究中探索发现的乐趣,看不到科学技术“在曲折中前进”的那种脉络,也认识不到新时代赋予这种结构的新应用。学生知道这种结构有“重要意义”但具体有什么样的意义还是一头雾水。
三是一些实验的材料与仪器之准备、操作步骤或实验结果辨析写得太笼统,太模糊,无法真正起到指导作用。多数实验指导的材料与仪器这部分,写得非常笼统,无论教师准备实验还是学生做实验都非常不便。还以睡腺染色体的制备为例。很多教材在结果辨析部分,对睡腺染色体几条臂的特征仅仅有几句笼统的文字说明,甚至没有说明。这些说明文字,如果写给有经验的研究人员阅读未尝不可,但写给初入门的学生阅读则嫌过简。多年来的教学经验表明,单凭这些文字,学生最多仅能认出第IV染色体丨再以“减数分裂过程中染色体动态观察”为例。一些教材使用的实验材料是蝗虫。蝗虫是观察减数分裂过程的好材料,但以此观察减数分裂过程也存在着一个非常大的问题,那就是如何仅凭着细胞学的证据将减数分裂I与减数分裂丨丨的一些时期(如中期丨与中期丨)区分开?对这个问题,许多教材并未作说明,尽管部分教材附了实验结果照片。这就造成一个问题:学生会操作,能看到结果,但却不知道如何合理地解释结果。
总之,国内_些实验教材给人的感觉:实验课就是操作课,是照着实验指导完成一系列操作,最后交一份报告的课程,因而在启发学生的思路及探索精神方面,则显得比较单薄。实验课的特点决定了老师不可能在课堂上长篇大论地讲解,与实验相关的背景知识主要是靠学生借助教材及相关的文献在课前预习获得。有了丰富的背景知识,才可能正确观察并深入解释观察到的结果,科研如此,实验教学亦如此;而背景知识是否有趣则决定了学生对实验的兴趣,进而影响他对这门课程的兴趣;学生照着实验指导成功做出实验,并真正理解了实验的内容,这是推动学生深入学习的动力。如果实验教材的引言索然寡味,而实验操作又不存在挑战性,学生做出结果又不知道该如何解释,学生学习的热情必然受到影响,从而不利于学生科学精神与创新精神的培养。
二、《遗传学实验》编写及修订的一些尝试
笔者在编写与修订《遗传学实验》时,除了分析国内外同类教材编排的实验内容、写作方法及其优劣得失,以期吸收其长避免其短外,还做了以下两方面的工作:(1)查阅大量的原始文献(而不是二手文献,目的是弄清一些研究的来龙去脉,并力图使教材跟上最新进展;给读者提供准确的信息,避免以讹传讹。所看的文献时间跨度为1890年代直到最近。(2在每一轮的教学中留意收集反馈信息,诸如学生在课上经常问的问题、普遍犯的错误等,并根据学生的反馈,反复调整自己的写作思路。写完稿子后,请上过这门课的学生读一遍,听听他们的想法。因为这本教材的主要读者群体是与笔者的学生们知识水平大致相当的本科生,因此从笔者的大量的学生中反馈的问题具有一定的代表性。
在实验内容上,本教材并没有多少新技术或新材料,所列的20余实验主要集中在经典的孟德尔遗传、微生物遗传、细胞遗传这些方面,但突出了“同样的实验写出不一样的内容”这样的思想。在写作及修订中,针对目前国内教材存在的问题及我国学生的实际,作了如下尝试:
一是在篇幅许可的范围内,背景知识尽可能介绍得详细些,让学生在充分了解实验意义的基础上再动手。像“果蝇的形态、生活史及饲养方法”这一实验,引言中详细介绍了果蝇作为遗传学研究模式生物的优点、目前研究的状况及这种生物对遗传学的贡献。而且这一介绍是放在遗传学实验选材的考虑、模式生物的选择等注意事项这种背景中去讲述,这样就使学生能从广阔的视野看一个小的问题。在每个实验后,附录大量原始文献并对一些经典文献做简要点评,以引导学生深入阅读。这就弥补了由于教材篇幅限制或教学学时限制不能详细讲述或没有讲述的不足,使学生对所做的实验有更深入的了解,从而培养起对专业的兴趣。
二是很多实验的引言是用研究史来写的,即在篇幅许可的范围内,按一项研究发展的历史,尽量将一个实验的来龙去脉交待清楚,还原认识的过程。像果蝇睡腺染色体制备这个实验,笔者顺着研究历史,介绍了睡腺染色体如何_步_步走进果蝇遗传研究并成为重要的工具,使来龙去脉一清二楚。这比笼统介绍睡腺染色体形成的原理或重要意义更能给学生一个清晰的概念,更富有趣味。而前辈科学家巧妙解决科学问题的研究故事,则是启发学生研究思路、培养学生科学精神的最好教材[7]。听完故事,学生也明白了实验原理,自己动起手来“重走路”也更有兴味。学生自己观察到睡腺染色体后,再对照Bridges或Lefevre的图谱,就深深体会到什么是“看似寻常最奇崛,成如容易却艰辛”了。国外一些优秀的遗传学教材,如《Genetics:PrinciplesandAnalysis〉》8],都非常注重相关文献的介绍、研究史的介绍。这也是笔者在修订教材时增加了许多这方面内容的原因。
三是对实验材料、器具与试剂,实验步骤,结果辨析作出清晰的说明。“实验材料、器具与试剂”这一部分的内容,参考了《Geneticslaboratory'nves-tigations》9]的写法,尽可能将所需应用之物准确量化以便老师与学生准备实验;同时,尽量采取图文并茂的方式讲解实验步骤、结果辨析,特别是一些要点、难点更是详细说明。如“动植物减数分裂过程中染色体标本的制备与观察”这个实验,在修订本中,对学生难于理解的蝗虫的减数分裂丨与丨丨中几个重要的分裂相特征、识别要点进行详细说明,让学生不仅能操作,同时也能真正读懂实验结果。
除了上述三点外,在教材的写作及修订中,笔者还做了如下的努力:
一是在第二版中,根据多年教学反馈,特意增加了两个放在全书的最前面的“非遗传学实验”的章节,分别介绍如何系统地记录实验结果及如何撰写实验报告。这么做的目的,是因为做记录、写报告是一个实验完整的一部分,尤其是报告,不仅可反映学生实验结果如何,更反映学生对一个实验是否真正了解,可谓是一个实验中最重要的部分。正如一项研究只有当论文公开发表才算结束一样个实验只有当完成报告时才可谓结束。在长期的教学过程中,笔者发现很多学生这方面的基本知识都没有。但似乎目前国内很少有教材谈及这些内容,在教学实践中这些内容也是“无人管辖区域”。反观国外诸多高校,则在这方面做得比我们好得多,例如,一些高校的网站上,详细介绍记录的方法[1W1],而一些高校则设有专门的写作中心[〜3],对诸如论文、实验报告的写作都有详细的介绍。这种做法值得我们借鉴。
二是在每个实验的最后一部分是“进一步的问题”。在这部分内容里,引导学生关注与实验相关的问题,让学生去思考,而不是简单地“交一张片子”或“画出某某结构”,以增加学生学习的兴趣。如“X染色质小体检测”这一实验中,“进一步的问题”就是引导学生思考:染色质小体检测如何用于重大体育赛事的女选手遗传性别的检测,而这种检测存在什么样的问题,最终为何无疾而终?三是注意科学性的同时,还尽量注意人性化。比如:在全书的开始部分,有一张“实验安排”表,以便教师统筹规划海个实验的开始,则有一张或数张与该实验相关的科学家照片及生平、成就的简要介绍,使学生心目中的知识英雄不再是抽象的名字;版式尽可能美观大方,看起来不让人觉得沉闷;使用的语言也尽量平实,而不故作艰深。
三、《遗传学实验》在教学实践中使用的效果
前文谈到,在每一轮的教学中,笔者比较注重收集学生的反馈信息。这个信息包括学生对教材材;作为学生,他们在课上听过课并亲手做过实验,对教材的优劣得失最有发言权。从学生反馈的信息及教学实践看,笔者在这本教材中所做的改革尝试收到如下的效果:
一是引言内容丰富,增加了教材的可读性;而对研究史与研究思路的剖析,学生感觉“比较有意思”,提高了学生学习的趣味性;文后不少经典参考文献,可供学生深入学习时参考,使他们的视野不被一本教材所拘束,加深了他们对一个实验的理解。笔者自己在教学实践中,在每一堂实验课前,都推荐二到三篇的经典文献让学生课前预习,
而在课堂讲授引言时,通常也是将一些经典文献串起来。这些做法方面使学生加深了对一个实验的理解,另一方面,使他们也逐渐地学会查文献、看文献的好习惯,而查文献、读文献则是科研最重要的基本功。
【关键词】遗传学实验 实验教学 创新人才
【基金项目】国家基础科学人才培养基金(J1103507);南京师范大学2012年实验教学改革项目(1812200009)。
【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2013)10-0255-02
遗传学是高校生物类专业基础课之一,遗传学实验是以帮助学生加深对遗传学基本知识和理论的认知和理解,培养学生进行遗传学等相关学科研究工作的能力的具体学科。在实验教学中,不仅需教导学生实验设计的原理、怎么做实验,更应该教导学生如何根据需要合理安排实验,提高学生解决实际问题的能力及自主创新能力。因此,实验教学的开展情况直接关系到学生在相关领域创新能力的成败。遗传学实验教学体系,在很大程度上会影响到实验教学的效果。而现有的遗传学实验受学时数所限,综合性实验仍然偏少,无法满足协助学生全面、系统地掌握实验知识与技能的需要。在目前遗传学实验教学体系中受学时数所限,学生仍主要按照教师安排的实验材料和步骤进行实验操作,学生在大部分实验除了简单的模拟操作之外,动手能力、实验设计和创新意识未得到充分培养。现有遗传学实验教学体系的弊端日益突显,突破传统的实验教学体系,使学生较全面系统地掌握实验知识与技能是改革所面临的主要问题。为此,本文尝试对遗传学实验教学体系进行改革以适应培养高素质人才的需要,在有限的时间内,探索与构建实验教学改革的新途径,从而培养学生的科学精神和实验能力。
一、实验内容优化整合
参照遗传学学科发展特点,对遗传学实验内容进行调整并作分类规划,同时增加现代遗传学实验内容,从而构建遗传学实验教学新体系。在实验内容选择时既要注重实验的基础性,以使学生通过实验加深对遗传学基础理论的理解,掌握基本实验技能,又要注重实验的综合性,以充分体现创新能力培养的目标。对此,在保留遗传学基础性实验的前提下,注重激发学生学习的积极性和创造性思维,培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力,对实验内容进行整合和拓宽。将一些在内容上有相关性或在步骤上有连续性的实验项目整合,既保留过去的部分常规实验的内容,又增加了许多新的实验内容,使学生在有限的时间内能得到全面的训练。
依据教学大纲要求和学科发展特点,对实验内容进行模块化整合与拓展,按实验类别将遗传学实验分为“7+1”个实验模块,每个模块再编排一系列实验内容,通过这些实验内容的学习,掌握相应的遗传学知识,掌握相关遗传学实验技术,提高学生对实验动手能力和分析能力[1]:1.第一模块为经典遗传学实验模块:由7个实验组成。主要包括果蝇和粗糙链孢霉杂交实验。2.第二模块为细胞遗传学实验模块:由9个实验组成。主要包括细胞染色体行为观察、动植物染色体制备技术及显带技术。3.第三模块为分子遗传学实验模块:由9个实验组成。主要包括动植物核酸提取技术、核酸检测技术、PCR技术、限制性酶切技术、DNA物理图谱构建方法及原核生物基因调控分析。4.第四模块为基因工程实验模块:由9个实验组成。主要包括DN段回收技术、重组质粒载体构建技术、感受态细胞制备与转化技术、质粒载体提取技术、外源基因诱导表达及其表达产物检测技术。5.第五模块为遗传毒理学实验模块:由7个实验组成。主要包括环境因素对生物个体的生活史、细胞及染色体行为影响分析;对细胞染色体数目与结构的影响分析;对细胞姊妹染色单体影响分析;对细胞DNA损伤影响分析。6.第六模块为数量遗传学实验模块:由7个实验组成。主要包括广义与狭义遗传率的分析、遗传学相关数据指标聚类分析及其计算方法。7.第七模块为群体遗传学实验模块:由7个实验组成。主要包括哈迪―温伯格定律分析、群体遗传分化相关参数、基因流等参数的分析、计算与运用。8.第八模块为遗传学实验分析模块:由8个实验分析手段组成,基本涵盖了遗传学实验结果分析的方法,便于学生根据实验结果得出较为正确的结论。
二、新教学体系的建立
依据实验内容的模块化整合,将基础性实验技术与综合性实验方法运用至实验教学中,以培养学生综合实验的能力、解决实际问题的能力。通过由浅入深、由易到难、由简单到综合的实验内容学习,逐步培养学生的创新意识、创新精神和创新能力。在实验教学过程中,做到大小兼顾,统筹安排,合理设计,尽可能提供所有实验项目所需材料与设备,让学生进行一定范围内的选择,每个学生从至少4个模块中选择36学时的实验,在每一模块中选择自己感兴趣的实验内容,在教师的指导下设计并完成实验。在每一模块中学生可根据自己感兴趣的实验内容、理论问题、自己认为应该特别加强训练的实验技能和总学时数的要求选择实验项目,保证在每一个模块中选择那些自己最感兴趣及最迫切需要学习和掌握的实验来做,这样有利于提供学生的学习积极性。然后,在教师的指导下根据需要选择其他模块的实验项目,设计并完成实验。这一新体系的实施,有利于提高实验课的教学质量,培养学生的自主学习和创新能力。
三、新教学体系的管理
在实验开始时,教师对材料的准备、试剂的配制、实验原理、实验步骤、仪器操作、预期实验结果、注意事项进行一定的讲解。在实验进行过程中,教师对实验中遇到的问题,可根据学生的需求适当地给予指导,引导学生通过思考提出解决方法,提倡学生就实验过程中出现的疑点和难点互相交流,教师只在学生协作学习过程中加以引导和控制,组织学生相互交流彼此的感受,达到共同学习,取长补短的目的。实验结束后,学生需上台讲解自己的实验过程及实验中遇到的问题及其解决途径,对自己提出的问题进行研究和实验,并要求及时、完整、正确和整洁的记录实验过程,记录的内容包括实验项目、实验材料、实验方法、实验日期、实验结果与数据等。如果结果存在一定的偏差,要认真分析,寻找问题症结,再提出解决方法或分析失败原因,最终书写实验报告或撰写论文。实验结束召开学术交流会,轮流在会上交流汇报,而后其他同学和教师可对每个汇报者进行提问,同时根据实验方案的科学性、实验结果的准确性、实验报告或论文写作水平等几方面进行评估,最后由教师分类评价学生所提交的实验报告。
四、新教学体系的特点
1.基础性:以遗传发展史为线索,涵盖了经典遗传学实验、细胞遗传学实验、分子遗传学实验,反映出遗传学的基本原理和技术。2.应用性:重视实验技能基础训练,学生通过实验可正确、熟练按要求使用仪器;能仔细观察,认真操作,整理与分析实验数据,对实验结果做出解释,从而得出实验结论。3.全面性:新的教学体系下既涉及基础性实验,又涉及了群体遗传学、数量遗传学理论性较强的实验内容,同时还涉及遗传毒理学实验、基因工程实验应用性较强的实验内容,使得实验内容更加全面。4.系统性:在实验教学过程中,从实验的设计与规划,实验材料的取材、处理,实验结果的检测及分析都由学生独立完成,使学生对相关实验有一个系统性的把握。5.综合性:体现在实验内容整体的安排上,如每个模块中得实验项目尽可能串联起来,前一个实验项目的结束可作为下一个实验项目的开始,从而形成一个较大的综合性实验。6.设计性:根据不同模块所学知识,可将不同模块的实验进行合并,从而设计新的大实验,提高学生的创新实验能力。使学生能将学到的知识与科研实践相结合,提高学生的实验素质,培养学生研究性学习和创造性能力。
五、结语
在新的教学体系下,学生从模块化实验教学体系中主动获取知识的能力、动手能力、思考问题和解决问题的能力均得到不同程度的提高。在实验过程中,学生学习主动性增强、兴趣增强,有效地发挥了学生的主体性,对所学知识的理解不断提升,实践能力、分析和解决问题的能力、创新思维能力也得到不同程度的提升。这样的实验教学体系,有利于培养基础理论知识深厚、实验操作技能扎实、创新思维能力积极的的综合人才。由于遗传学实验教学改革是一项长期的系统工程,因此仍需要广大教师进行不断的探索、改进与努力,逐步完善实验教学体系,以提高学生的综合素质。
【关键词】: 植物分子;群体;遗传学;研究
中图分类号:Q37 文献标识码:E文章编号:1006-0510(2008)09091-04
分子群体遗传学是在经典群体遗传的基础上发展起来的,它利用大分子主要是DNA序列的变异式样来研究群体的遗传结构及引起群体遗传变化的因素与群体遗传结构的关系,从而使得遗传学家能够从数量上精确地推知群体的进化演变,不仅克服了经典的群体遗传学通常只能研究群体遗传结构短期变化的局限性,而且可检验以往关于长期进化或遗传系统稳定性推论的可靠程度。同时,对群体中分子序列变异式样的研究也使人们开始重新审视达尔文的以"自然选择"为核心的进化学说。到目前为止,分子群体遗传学已经取得长足的发展,阐明了许多重要的科学问题,如一些重要农作物的DNA多态性式样、连锁不平衡水平及其影响因素、种群的变迁历史、基因进化的遗传学动力等,更为重要的是,在分子群体遗传学基础上建立起来的新兴的学科如分子系统地理学等也得到了迅速的发展。文中综述了植物分子群体遗传研究的内容及最新成果。
1. 理论分子群体遗传学的发展简史
经典群体遗传学最早起源于英国数学家哈迪和德国医学家温伯格于1908年提出的遗传平衡定律。以后,英国数学家费希尔、遗传学家霍尔丹(Haldane JBS)和美国遗传学家赖特(Wright S)等建立了群体遗传学的数学基础及相关计算方法,从而初步形成了群体遗传学理论体系,群体遗传学也逐步发展成为一门独立的学科。群体遗传学是研究生物群体的遗传结构和遗传结构变化规律的科学,它应用数学和统计学的原理和方法研究生物群体中基因频率和基因型频率的变化,以及影响这些变化的环境选择效应、遗传突变作用、迁移及遗传漂变等因素与遗传结构的关系,由此来探讨生物进化的机制并为育种工作提供理论基础。从某种意义上来说, 生物进化就是群体遗传结构持续变化和演变的过程, 因此群体遗传学理论在生物进化机制特别是种内进化机制的研究中有着重要作用。
在20世纪60年代以前, 群体遗传学主要还只涉及到群体遗传结构短期的变化,这是由于人们的寿命与进化时间相比极为短暂,以至于没有办法探测经过长期进化后群体遗传的遗传变化或者基因的进化变异,只好简单地用短期变化的延续来推测长期进化的过程。而利用大分子序列特别是DNA序列变异来进行群体遗传学研究后,人们可以从数量上精确地推知群体的进化演变, 并可检验以往关于长期进化或遗传系统稳定性推论的可靠程度。同时, 对生物群体中同源大分子序列变异式样的研究也使人们开始重新审视达尔文的以"自然选择"为核心的生物进化学说。20世纪60年代末、70年代初,Kimura、King和Jukes相继提出了中性突变的随机漂变学说: 认为多数大分子的进化变异是选择性中性突变随机固定的结果。此后,分子进化的中性学说得到进一步完善,如Ohno关于复制在进化中的作用假说: 认为进化的发生主要是重复基因获得了新的功能,自然选择只不过是保持基因原有功能的机制;最近Britten甚至推断几乎所有的人类基因都来自于古老的复制事件。尽管中性学说也存在理论和实验方法的缺陷, 但是它为分子进化的非中性检测提供了必要的理论基础。目前, "选择学说"和"中性进化学说"仍然是分子群体遗传学界讨论的焦点。
1971年,Kimura最先明确地提出了分子群体遗传学这一新的学说。其后, Nei从理论上对分子群体遗传学进行了比较系统的阐述。1975年, Watterson估算了基于替代模型下的DNA多态性的参数Theta(θ)值和期望方差。1982年, 英国数学家Kingman构建了"溯祖"原理的基本框架, 从而使得以少量的样本来代表整个群体进行群体遗传结构的研究成为可能, 并可以进一步推断影响遗传结构形成的各种演化因素。溯祖原理的"回溯"分析使得对群体进化历史的推测更加合理和可信。1983年, Tajima推导了核甘酸多样度参数Pi(π)的数学期望值和方差值。此后, 随着中性平衡的相关测验方法等的相继提出, 分子群体遗传学的理论及分析方法日趋完善。
近20年来, 在分子群体遗传学的基础上, 又衍生出一些新兴学科分支, 如分子系统地理学(molecular phylogeography)等。系统地理学的概念于1987年由Avise提出, 其强调的是一个物种的基因系谱当前地理分布方式的历史成因, 同时对物种扩散、迁移等微进化历史等进行有效的推测。
2. 实验植物分子群体遗传研究内容及进展
基于DNA序列变异检测手段的实验分子群体遗传学研究始于1983年, 以Kreitman发表的"黑腹果蝇的乙醇脱氢酶基因位点的核苷酸多态性"一文为标志。以植物为研究对象的实验分子群体遗传学论文最早发表于20世纪90年代初期, 但是由于当时DNA测序费用昂贵等原因, 植物分子群体遗传学最初发展比较缓慢, 随着DNA测序逐渐成为实验室常规的实验技术之一以及基于溯祖理论的各种计算机软件分析程序的开发和应用, 实验分子群体遗传学近10年来得到了迅速的发展, 相关研究论文逐年增多, 研究的植物对象主要集中在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.)及重要的农作物如玉米(Zea mays L.)、大麦(Hordeum vulgare L.), 水稻(Orazy sativa L.)、高粱(Sorghum bicolor L.)、向日葵(Helianthus annuus L.)等上。其研究内容涵盖了群体遗传结构(同源DNA分化式样)、各种进化力量如突变, 重组, 连锁不平衡、选择等对遗传结构的影响、群体内基因进化方式(中性或者适应性进化)、群体间的遗传分化及基因流等。同时, 通过对栽培物种与野生祖先种或野生近缘种的DNA多态性比较研究, 分子群体遗传学在研究作物驯化的遗传学原因及结果等也取得了重要的进展, 如作物驯化的遗传瓶颈, 人工选择对"驯化基因"核苷酸多态性的选择性清除(selective sweep)作用等等。
2.1 植物基因或基因组DNA多态性
分子群体遗传学的研究基础是DNA序列变异。同源DNA序列的遗传分化程度是衡量群体遗传结构的主要指标, 其分化式样则是理解群体遗传结构产生和维持的进化内在驱动力诸如遗传突变、重组、基因转换的前提。随着DNA测序越来越快捷便利及分子生物学技术的飞速发展, 越来越多的全基因组序列或者基因序列的测序结果被发表, 基因在物种或群体中的DNA多态性式样也越来越多地被阐明。
植物中, 对拟南芥和玉米基因组的DNA多态性的调查最为系统, 研究报道也较多。例如, Nordborg等对96个样本组成的拟南芥群体中的876个同源基因片段(0.48 Mbp)的序列单核苷酸多态性进行了调查, 共检测到17 000多个SNP, 大约平均每30 bp就存在1个SNP位点。而Schmid等的研究结果显示: 拟南芥基因组核甘酸多态性平均为0.007( W)。Tenaillon等对22个玉米植株的1号染色体上21个基因共14 420 bp序列的分析结果显示玉米具有较高的DNA多态性(1SNP/27.6 bp、 =0.0096)。Ching等研究显示: 36份玉米优系的18个基因位点的非编码区平均核苷酸多态性为1SNP/31 bp, 编码区平均为1SNP/124 bp, 位点缺矢和插入则主要出现在非编码区。此外, 其他物种如向日葵、马铃薯(Solanum tuberosum)、高粱、火矩松(Pinus taeda L.)、花旗松(Douglas fir)等中部分基因位点的DNA多态性也得到调查, 结果表明不同的物种的DNA多态性存在较大的差异。
繁育方式是显著影响植物基因组的DNA多态性重要因素之一。通常来说, 自交物种往往比异交物种的遗传多态性低, 这已经被一些亲缘关系相近但繁育方式不同的物种如Lycopersicon属植物和Leavenworthia属植物的种间比较研究所证实。但是在拟南芥属中则不然, Savolainen等比较了不同繁育方式的两个近缘种Arabidopsis thaliana(自交种)和Arabidopsis lyrata(异交种)的乙醇脱氢酶基因(Alcohol Dehydrogenase)的核苷酸多态性, 结果发现A. thaliana的核苷酸多态性参数Pi值为0.0069, 远高于A. lyrata的核苷酸多态性(Pi=0.0038)。
2.2 连锁不平衡
不同位点的等位基因在遗传上不总是独立的, 其连锁不平衡程度在构建遗传图谱进行分子育种及图位克隆等方面具有重要的参考价值。Rafalski和Morgante等在比较玉米和人类群体的连锁不平衡和重组的异同时对连锁不平衡的影响因素做了全面的阐述, 这些因素包括繁育系统、重组率、群体遗传隔离、居群亚结构、选择作用、群体大小、遗传突变率、基因组重排以及其他随机因素等。物种的繁育系统对连锁不平衡程度具有决定性的影响, 通常来说, 自交物种的连锁不平衡水平较高, 而异交物种的连锁不平衡水平相对较低。但是也有例外, 如野生大麦属于自交物种, 然而它的连锁不平衡水平极低。
拟南芥是典型的自交植物, 研究表明: 拟南芥组基因大多数位点的连锁不平衡存在于15~25 kb左右的基因组距离内, 但是在特定位点如控制开花时间的基因及邻接区域, 连锁不平衡达到250 kb的距离。拟南芥基因组高度变异区段同样具有较强的连锁不平衡。这些研究结果说明拟南芥非常适合构建连锁图谱, 因为用少量的样本就可以组成一个有效的作图群体。除拟南芥外, 其它自交物种大多表现出较高的连锁不平衡水平, 如大豆的连锁不平衡大于50 kb; 栽培高粱的连锁不平衡大于15 kb; 水稻的Xa位点连锁不平衡可以达到100 kb以上。
与大多数自交物种相比, 异交物种的连锁不平衡程度则要低得多。例如, 玉米的1号染色体的体连锁不平衡衰退十分迅速,大约200 bp距离就变得十分微弱, 但是在特定的玉米群体如遗传狭窄的群体或者特定基因位点如受到人工选择的位点, 连锁不平衡水平会有所增强。野生向日葵中, 连锁不平衡超过200 bp的距离就很难检测到(r=0.10), 而栽培向日葵群体连锁不平衡程度则可能够达到约1 100 bp的距离(r=0.10)。马铃薯的连锁不平衡在短距离内下降迅速(1 kb降到r2=0.2左右), 但在1Kb以外下降却十分缓慢(10 cM降到r2=0.1)。此外, 异交繁育类型的森林树种如火矩松、花旗松等同样显示出低水平的连锁不平衡。
2.3 基因组重组对DNA多态性的影响
基因组的遗传重组是指二倍体或者多倍体植物或者动物减数分裂时发生的同源染色体之间的交换或者转换。它通过打破遗传连锁而影响群体的DNA多态性式样, 其在基因组具点发生的概率与该位点的结构有很大的关系, 基因组上往往存在重组热点区域, 如玉米的bronze(bz)位点, 其重组率高于基因组平均水平100倍以上; 并且重组主要发生在染色体上的基因区域, 而不是基因间隔区。同时, 在基因密度高的染色体区段比基因密度低的染色体区段发生重组的频率也要高得多; 在不同的物种中, 基因组重组率平均水平也有很大的差异。如大麦群体基因组的重组率为 =7~8×10-3,高于拟南芥( =2×10-4)40倍, 但只有玉米( =12~14×10-3)的一半左右。
目前有很多关于重组和DNA多态性之间的相关关系的研究, 但是没有得到一致的结论。部分研究显示重组对DNA多态性具有较强的影响。如Tenaillon等研究显示玉米1号染色体的DNA多态性高低与重组率具有较高的相关性(r=0.65, P=0.007), 野生玉米群体、大麦及野生番茄也都存在同样的现象。而在拟南芥中, 重组对DNA多态性的贡献率就非常低。Schmid等用大量的基因位点对拟南芥群体的核苷酸多态性进行调查后发现: 重组率与核苷酸多态性相关关系不显著; Wright等调查了拟南芥1号和2号染色体的6个自然群体序列变异式样, 结果显示, 在着丝粒附近重组被抑制的染色体区域, 核苷酸多态性并没有随之降低。说明了拟南芥基因组的重组率与DNA多态性并没有必然的相关关系。Baudry等对番茄属内5个种进行了比较研究, 结果也显示重组对种群间的DNA多态性的影响也不明显。
2.4 基因进化方式(中性进化或适应性进化)
分子群体遗传学有两种关于分子进化的观点: 一种是新达尔文主义的自然选择学说, 认为在适应性进化过程中, 自然选择在分子进化起重要作用, 突变起着次要的作用。新达尔文主义的主要观点包括: 任何自然群体中经常均存在足够的遗传变异, 以对付任何选择压力; 就功能来说, 突变是随机的; 进化几乎完全取决于环境变化和自然选择; 一个自然群体的遗传结构往往对它生存的环境处于或者接近于最适合状态; 在环境没有发生改变的情况下, 新突变均是有害的。另一种是日本学者Kimura为代表的中性学说, 认为在分子水平上, 种内的遗传变异(蛋白质或者DNA序列多态性)为选择中性或者近中性, 种内的遗传结构通过注入突变和随机漂变之间的平衡来维持, 生物的进化则是通过选择性突变的随机固定(有限群体的随机样本漂移)来实现, 即认为遗传漂变是进化的主要原因, 选择不占主导地位。这两种学说, 在实验植物分子群体遗传学的研究中都能得到一定的支持。
对植物基因在种内进化方式的研究主要集中在拟南芥菜、玉米、大麦等农作物及少数森林树种。Wright和Gaut对2005以前发表的相关文章进行详细的统计, 结果显示: 拟南芥中大约有30%的基因表现为适应性进化; 玉米中大约有24%的基因表现为非中性进化; 大麦的9个基因中, 有4个受到了选择作用的影响。
选择作用主要包括正向选择、平衡选择、背景选择及稳定选择, 它们单独或者联合对特定基因的进化方式产生影响。如花旗松中的控制木材质量和冷硬性状的基因、火炬松的耐旱基因、欧洲山杨(European aspen)的食草动物诱导的蛋白酶抑制基因(Herbivore-induced Protease Inhibitor)等, 经检测在各自的群体受到了正向选择、平衡选择、背景选择单独或者多重影响。植物抗性基因(R基因)是研究得比较深入的一类基因, 大部分研究结果显示抗性基因具有高度的多态性, 并经受了复杂的选择作用。Liu和Burke对栽培大麦和野生大麦群体中9个基因在调查显示其中的8个基因受到稳定选择。Simko等对47份马铃薯66个基因位点调查表明, 大部分基因位点在马铃薯群体进化过程中受到了直接选择或者分化选择作用。以上对不同物种的不同基因位点的研究都强调了分子进化的非中性的结果, 这说明选择在基因的进化过程中具有非常重要的作用; 另一方面, 中性进化的结果报道较少, 或被有意或者无意地忽略, 事实上即使在强调选择作用的研究文献中, 仍然有相当一部分基因表现为中性进化, 说明在种内微观进化的过程中, 选择作用和中性漂变作用可能单独或者联合影响了物种内不同的基因位点, 共同促进了物种的进化。
2.5 群体遗传分化
分子群体遗传学一个重要的研究内容是阐明物种不同群体之间甚至不同物种群体之间(通常近缘种, 如栽培种及其近缘种或祖先野生种)遗传结构的差异即遗传分化, 并推测形成这种差异的原因, 从而使人能够更好地理解种群动态。
犹记前不久,身处病榻上的先生,还拉着我的手,殷切地询问:“工作进展怎么样了?”我说:“先生您放心,我们会将工作做好。”先生竖起大拇指,说:“好!”然而,这却成为先生留给我的最后一句话。
先生的一生,治学严谨,兢兢业业,却屡遭阻碍,但他以百折不挠的精神,坚守工作第一线,只为了医学遗传学事业。在他看来,这就是他的生命。
医学遗传学之梦
1963年,张孝骞主任在北京协和医院内科成立了中国第一个医学遗传学教研组,鉴于先生对医学遗传学领域研究较深,便委任先生负责该组发展。然而,当时科技发展水平滞后,这一学科备受排挤,工作开展艰难。“”初期,该组被迫解散,先生也被下放到甘肃。
1979年,北京协和医学院在基础医学研究所(下称“基础所”)成立了中国第一个医学遗传学教研室(下称“遗传室”),先生被从中国医学科学院肿瘤医院调到基础所,担任主任。临床、科研、教学相结合的遗传室设计构想,就是由他首先提出的。这一遗传室很特殊,既归属基础医学又承担临床工作。1980年,遗传室在北京协和医院儿科开设了遗传咨询门诊。
1987年,原卫生部在全国进行出生缺陷调查,发现出生缺陷率较高,亟需建立一支队伍,解决遗传病的问题。因此,中国在四川大学华西医学院建立了全国出生缺陷监测中心,同时建立了三个国家遗传医学中心,其中北方中心设立在北京协和医院,由基础所和北京协和医院共同组成。
当时,中国遗传学会设有人类和医学遗传专业委员会,但主研基础学科方向。先生希望在中华医学会中设立一个专门的医学遗传学分会,由中华医学会和中国遗传学会双重领导。然而事情并不顺利,同在1987年,中国遗传学会在安徽省合肥市召开“三大”时,中华医学会医学遗传分会举行成立大会。但由于会务疏忽,会标上未印有“中国遗传学会”字样,结果令中国遗传学会会长谈家桢先生误认为先生要“另立山头”。在1990年郑州召开的中国遗传学会“四大”上,人类和医学遗传专业委员会被取消,先生也被“革出教门”。这件事对先生打击甚大。
后来,由于原卫生部有关部门领导换届,新领导认为遗传病复杂且少见,对医学遗传学不再重视,导致该学科的发展受阻。遗传医学中心也陷入名存实亡的境地。
为了改变这个局面,先生设法将遗传医学中心转移到医院。在先生看来,希望医学遗传学科设在医院,以此解决患者的遗传病诊疗问题。不然,由于人们对遗传病学的不了解,导致一家生有多名患有遗传病的孩子,患儿本人及家庭都痛苦。2004年,遗传医学中心更名为麦库西克-张孝骞遗传医学中心,在北京协和医院保存下来。
直至4年前,医学遗传学发展仍然受阻碍。85岁高龄的先生谏书给时任卫生部部长陈竺,催问源起2004年的建立临床遗传学动议,希望国家能够加大对医学遗传学的投入力度。但最终由于经办人员担心重蹈疼痛医学专科设置的覆辙,在上报专家组讨论形成的《医疗机构设置独立临床遗传科试行方案》时,将“试行方案”改成《医疗机构设置独立临床遗传科会议纪要》。从此,这一动议杳无音讯。
前不久,北京协和医院建立了临床遗传学实验室,我们用轮椅推着先生去看。他很高兴,希望我们坚持下去。我对他承诺:“先生,您放心,在我的有生之年,一定完成您的心愿。”
未了师生情
有人曾问我:“一生中,对你影响最深的人是谁?”我会毫不迟疑地回答,是先生。
先生给我的第一印象,既文质彬彬,又一表人才。我是先生的第一名医学遗传学研究生,是先生将我指引到这一行业中的。
我毕业于北京协和医学院(时称中国医科大学),受“”影响,被分配到基层工作,没有受过正规医院的临床训练。“”后开始招收研究生,我希望能考回母校。但由于没有在正规医院的工作经历,不能报考临床专业,我便报考基础学院。当年,我们这些毕业于原北京协和医学院、又考过研究生分数线的学生,组成了研究生班。
先生读大学时,化学成绩非常优秀。或许他也是看中我生化成绩较好的这一特点,在我完成理论课程后分派导师时,先生选中了我。当我得知被先生挑上时,还在想,谁是罗会元?
先生为人很低调。我与先生在日常交流中谈论的多是专业,生活方面的接触不多。他所经历的种种磨难,都是我后来在公开资料中得知的。先生的一生都在经历挫折,谨慎地过日子。也许因为他的抗打击能力很强,总是将事情憋在肚子里不吭气,坚持埋头干活。
我所研究的方向是地中海贫血。但我们没有涉足过基因分析这一领域,也没有这方面的条件。怎么办?先生就让我先尝试研究异常血红蛋白,我开始向北京协和医院血液科的医生请教,进行异常血红蛋白的调查,后来进行化学结构分析,有所发现,完成了硕士论文。
后来,先生认为异常血红蛋白做完后应该进行分子实验,便准备送我出国,进一步研究地中海贫血。但当时有人反对送我出国深造,认为我不可靠,出国后就不再回来了。于是先生找到了我,很直接地对我说:“黄尚志,有人反对你出国,认为你出去就不回来了。”
终究,先生还是送我出国了,因为他信任我。我在国外时,他总在电话里跟我说:“黄尚志啊,你赶快回来,家里还有好几名研究生等你指导呢。”
先生的处事方式有时过耿。我总是劝他:“先生,您如果觉得有些人不对,船的方向不对,我们不要站在岸上说,您上船去,做个水手,点一篙子,船就有了正确的方向。”但他却始终未回应过这一问题,他认为,是非一定要分明,没有中间地带。
也许很少有人了解,先生是与钱学森同时期回国的专家,然而路不同,周遭天壤。他一生追求的理想,一直是我们后辈的奋斗目标。无论前路有多少荆棘磨难,我们都会沿着他的足迹,坚持下去。
——刘鹏飞
2011年“国家优秀自费留学生奖学金”获得者,1985年出生,2007年获南开大学生命科学学院理学学士学位。同年赴美国贝勒医学院留学,从事分子与人类遗传学研究,2012年获博士学位。读博期间,在Cell、American Journal of Human Genetics、Nature Genetics等国际知名期刊10余篇。
刘畅
非常高兴成为“自费生奖学金”获得者。这一荣誉的取得是祖国对我留学生涯的肯定和鼓励。同时,要感谢导师对我的指导,同事对我的帮助,以及家人对我的关爱和支持。
——刘畅
2011年“国家优秀自费留学生奖学金”获得者,1984年出生,2007年获北京大学化学、经济学双学士学位,现就读于加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系。主要研究方向为新型样品纯化技术的研发,以及单分子和纳米颗粒的超灵敏光学检测。博士期间先后在Analytical Chemistry等本领域顶尖期刊10余篇。同时,担任Electrophoresis等学术期刊以及葡萄牙科学技术委员会的特邀审稿人。曾先后获得加拿大化学会Ryan-Harris研究生奖、美国化学会分析化学研究生奖学金等多项荣誉。
丁铭
虽然身在他乡,但总能感受到祖国的关怀,这种关怀从来没有因为时间和空间而停止过。“自费生奖学金”的获得,对我来说是一份极大的鼓舞,让我更加坚信只要付出,就会有回报,更感觉到了一份强烈的归属感。总有一天,我会带着那份对自然最原始的好奇,对科学最虔诚的求知,对理想最纯真的渴望和对祖国、对人类最无私的责任感,把我所学到的完完全全地奉献给祖国,为祖国的建设贡献自己的一点光和热。
——丁铭
2011年“国家优秀自费留学生奖学金”获得者,1985年出生,2008年获北京交通大学光信息科学与技术专业学士学位,2009年赴英国南安普敦大学光电子学研究中心攻读博士学位,从事微/纳米光纤方面的研究。目前已在领域内知名期刊Applied Physics Letters、IEEE Photonics、The Open Optics Journal、Optics Communications等发表科学论文30余篇。曾多次被邀请作会议报告。
李强
回首来时路,在忙于做试验和写论文的同时,我无时无刻不感受着祖国的脉搏,让我虽身在异国他乡而心有寄托。“谁言寸草心,报得三春晖”,虽身在海外,但祖国是我永远的方向。近年来祖国的科研事业蒸蒸日上,让我无比欣喜和自豪,无论是国家对科研的投入还是对科研人才的珍视都必将为祖国的科研事业插上腾飞的翅膀。青年怀壮志,报国正当时,我一定会把今天的成绩化作明天的动力,加倍努力充实自己以期能随时报效祖国。
**博士2008年9月进入****环境工程系任教至今,工作上勤奋踏实,取得了较好的工作业绩。
教学方面,积极承担教学任务。入职以来独立承担环境生物专业《分子生物学》本科教学;同时参与承担了环境生物、环境化学、环境工程专业核心专业课程《环境微生物学》本科教学。课前认真准备授课内容,尽可能将目前本领域内研究的新成果加入课堂内容,以激发学生对学习的兴趣,增强对于所学课程的相关知识的理解。授课时由简入难,引导学生自发学习。此外,指导2名本科生完成毕业论文,协助指导2名硕士研究生2名博士研究生开展研究工作,其中两人已毕业。
科研方面,在微生物降解有机污染物与利用转基因植物修复污染环境等方面进行了深入研究,取得了较好成绩。作为主持人承担了国家自然科学青年基金一项,同时参与了国家“十一五”科技支撑计划,973计划与国家水专项等课题项目的研究。共累计30篇,其中SCI论文14篇,第一作者SCI论文8篇,研究成果相继发表在国际顶级环境微生物期刊《Environmental Microbiology》和顶级植物学期刊《The Plant Journal》上。任职期间共申请专利3项,参编专著《湖泊蓝藻水华暴发、危害与控制》(科学出版社,2011)一部。
同时自任职以来**博士积极参会各种相关学术会议交流,并作为承办方组织召开了第十三次全国环境微生物学术研讨会与微生物遗传与未来学术研讨会暨江苏省遗传学会微生物遗传专业委员会成立大会。
基于**博士的教学科研业绩,本人愿意推荐他申报****大学**学院教学科研岗位。