分子生物學綜合實驗課程設計研究,分子生物學論文

分子生物學綜合實驗課程設計研究,分子生物學論文原標題：分子生物學綜合性實驗教學體系的構(gòu)建內(nèi)容摘要：根據(jù)分子生物學學科特點，以茶樹轉(zhuǎn)錄因子CsCBF1的克隆及轉(zhuǎn)錄激活活性分析為基礎(chǔ)，對分子生物學實驗教學內(nèi)容進行整合優(yōu)化，構(gòu)建了實驗教學新體系，重點突出實驗的綜合性、系統(tǒng)性和設計性。采用研究型教學形式，提高了學生的實驗興趣，培養(yǎng)了學生的實驗設計和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了學習實驗技術(shù)和理論知識的統(tǒng)一。本文關(guān)鍵詞語：分子生物學實驗；綜合性；構(gòu)建實驗教學是高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。實驗教學不但能使學生把握基本的實驗技能，提高實際操作能力，而且能夠培養(yǎng)學生的探尋求索精神和科學思維的技巧，促進學生認知能力的發(fā)展。通過實驗教學，學生還能體驗知識的構(gòu)成經(jīng)過，構(gòu)建自個的知識體系，實現(xiàn)研究性學習。分子生物學是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的一門學科[1-2],其主要內(nèi)容是研究遺傳信息的儲存與傳遞的分子細節(jié)，它的理論和方式方法已浸透到生命科學的每一領(lǐng)域，為生命科學的研究提供了新的思維方式和研究手段。分子生物學實驗是分子生物學課程體系的重要組成部分，是學生學習分子生物學的基本理論、基本技能，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要途徑[3-4].傳統(tǒng)的分子生物學實驗主要包括核酸的分離與檢測、PCR擴增及其相關(guān)技術(shù)、基因克隆的基本步驟〔感受態(tài)細胞的制備、載體與外源DNA片段酶切純化和連接、轉(zhuǎn)化、重組子的鑒定〕等[5].在實驗課程的組織形式上，采用獨立分割的實驗策略，通過一個個獨立的實驗演示分子生物學的基本原理和技術(shù)[6].這種策略的優(yōu)點是能夠使學生很好地把握單項技術(shù)，但由于實驗課程缺乏系統(tǒng)性，不利于學生綜合利用所學技術(shù)解決科學問題，理解科學的經(jīng)過。在教學方式上，傳統(tǒng)的分子生物學實驗以講明性、驗證性實驗為主，指導老師講述實驗原理，演示、講解實驗方式方法，指導學生操作，并對整個實驗經(jīng)過進行管理。學生嚴格根據(jù)實驗指導開展實驗，重點關(guān)注能否得到正確的實驗結(jié)果，而較少關(guān)心實驗設計和對結(jié)果的分析解釋，老師也沒有分配給學生足夠的時間去考慮實驗所牽涉的科學原理，以及對信息進行深度的加工處理。這種講明性、驗證性實驗教學形式不利于學生主觀能動性的發(fā)揮和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。1實驗教學理念和改革思路針對傳統(tǒng)分子生物學實驗教學體系中存在的問題，一些實驗室以分子生物學為中心，整合不同課程的實驗教學內(nèi)容，建立多學科融合的實驗教學體系，獲得了較為理想的教學效果[7-9].參照國內(nèi)外實驗教學改革的成果，本研究以茶樹的一個CBF轉(zhuǎn)錄因子的克隆和轉(zhuǎn)錄激活活性為主線，對分子生物學實驗教學的內(nèi)容進行整合優(yōu)化，建立系統(tǒng)、開放的實驗教學體系。新的實驗教學體系包括驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三個層次的實驗項目，實驗項目之間密切關(guān)聯(lián)，層層推進。驗證性實驗重點訓練學生的基本技能和基本操作。設計性實驗注重培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力[10].綜合性實驗引導學生將不同的實驗方式方法融會貫穿，把握科學研究的整體性方式方法，構(gòu)成綜合設計實驗的理念。新的實驗教學體系采用以研究為基礎(chǔ)的實驗教學形式，鼓勵學生通過查閱資料、自行設計實驗方案、獨立進行實驗等一系列的活動來鍛煉他們的科研思路，提高他們的動手能力，并引導學生在實驗中，體驗知識的生成經(jīng)過，構(gòu)建對知識的理解，實現(xiàn)實驗技術(shù)的學習和知識獲取的統(tǒng)一。2構(gòu)建分子生物學綜合性實驗教學體系實驗課以茶樹轉(zhuǎn)錄因子CsCBF1轉(zhuǎn)錄激活活性分析為中心，將CsCBF1基因全長cDNA序列的克隆及序列分析、CsCBF1基因的表示出特性分析、CsCBF1的亞細胞定位、CsCBF1在酵母細胞中轉(zhuǎn)錄激活活性分析等內(nèi)容進行整合優(yōu)化，構(gòu)成系統(tǒng)、連續(xù)的綜合性實驗。華而不實，CsCBF1基因全長cDNA序列的克隆及序列分析包括PCR技術(shù)、利用T載體克隆PCR產(chǎn)物、將重組DNA分子導入到大腸桿菌細胞、DNA自動化測序等內(nèi)容；CsCBF1基因的序列分析利用常用的分子生物學軟件分析CsCBF1蛋白的核定位信號、DNA結(jié)合構(gòu)造域和轉(zhuǎn)錄激活構(gòu)造域；CsCBF1基因的表示出特性分析則利用熒光定量PCR技術(shù)分析低溫在轉(zhuǎn)錄水平上對CsCBF1表示出的影響；CsCBF1的亞細胞定位將CsCBF1基因的ORF與植物表示出載體pBI121中的報告基因GFP融合，并通過遺傳轉(zhuǎn)化使融合基因在植物細胞中的瞬時表示出；CsCBF1在酵母細胞中的轉(zhuǎn)錄激活活性分析主要包括兩方面的內(nèi)容，一是利用酵母單雜交技術(shù)分析CsCBF1與DNA結(jié)合的特異性，其二是將CsCBF1的各種N端缺失突變體與GAL4的DNA結(jié)合構(gòu)造域融合后，觀察CsCBF1的C端構(gòu)造域?qū)acZ、HIS和ADE報告基因的激活作用。實驗內(nèi)容互相銜接，將分子生物學、基因工程、生物信息學和生物化學等課程的實驗有機地結(jié)合在一起，能夠使學生獲得跨學科多技能的綜合訓練。利用PCR技術(shù)克隆CsCBF1基因涵蓋了基因克隆的核心技術(shù)，是整個實驗的基礎(chǔ)。序列分析能夠預期CsCBF1含有一核定位信號，并且有一個DNA結(jié)合構(gòu)造域和一個C端酸性構(gòu)造域，這為研究CsCBF1的功能指明了方向。亞細胞定位則用實驗證明CsCBF1含有一核定位信號，定位于洋蔥表皮細胞的細胞核中。轉(zhuǎn)錄激活活性分析表示清楚CsCBF1的DNA結(jié)合構(gòu)造域能夠與DRE/CRT元件發(fā)生特異性結(jié)合，其酸性構(gòu)造域在形式生物中能夠激活報告基因的轉(zhuǎn)錄。綜合上述實驗結(jié)果，能夠推斷CsCBF1為一植物轉(zhuǎn)錄因子，在細胞核中通過與特異性的DNA元件結(jié)合，激活基因的表示出。CsCBF1基因的表示出特性分析通過研究低溫對CsCBF1表示出的影響，推斷CsCBF1可能在植物應答低溫經(jīng)過中發(fā)揮作用。3開創(chuàng)建立實驗教學施行新形式本項目是根據(jù)茶樹的一個轉(zhuǎn)錄因子的克隆與功能分析設計的多學科綜合的實驗教學體系。為了讓學生深切進入系統(tǒng)地理解實驗教學所牽涉的知識、技術(shù)和原理，課程組編寫了一系列學習輔助材料，對實驗項目所牽涉的主要技術(shù)給出了較為完備的注解。例如，ICE1-CBF冷應答途徑是當前研究得最為清楚的一個調(diào)節(jié)植物冷信號傳遞的轉(zhuǎn)錄級聯(lián)。課程組挑選了一組能夠反映該信號傳導途徑發(fā)現(xiàn)經(jīng)過的節(jié)點性文獻，重現(xiàn)問題的提出、理論構(gòu)成和發(fā)展的經(jīng)過。CsCBF1轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合構(gòu)造域和轉(zhuǎn)錄激活構(gòu)造域的鑒定需要利用酵母表示出系統(tǒng)。課程組以研究論文為基礎(chǔ)編寫研究簡報，系統(tǒng)描繪敘述了通過互補實驗分離酵母的GAL4基因、利用缺失實驗鑒定GAL4轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合域和轉(zhuǎn)錄激活域、利用構(gòu)造域交換實驗進一步證實GAL4轉(zhuǎn)錄激活域在構(gòu)造和功能上具有相對獨立性。并在這里基礎(chǔ)上，講明酵母單雜交系統(tǒng)和酵母雙雜交系統(tǒng)的原理和方式方法。通過指導學生閱讀研究論文和研究簡報使學生在詳細的研究情境中領(lǐng)悟到科學研究的基本策略和方式方法，進一步理解在實驗課中學習的相關(guān)技術(shù)是怎樣應用于解決詳細的科學問題，進而促進學生思維水平的發(fā)展。新的實驗教學體系的一個重要目的是提高學生的科技寫作水平。為了幫助學生更有效地學習科技寫作的基本技能，老師要抽出專門的時間介紹科技論文的基本構(gòu)造及各部分的寫作要求，讓學生對科技寫作有一個簡明而完好的概念。每次實驗除了要求每個學生完好記錄整個實驗經(jīng)過外，還要對學生進行寫作技巧方面的訓練，但練習僅限于論文的某一部分，例如內(nèi)容摘要、引言、材料與方式方法或者結(jié)果與討論，甚至能夠是對圖表的文字講明。這種化整為零的訓練方式，能夠降低學生對科技寫作的畏難情緒，使他們循序漸進地把握寫作技巧。當整個實驗項目完成時，學生需要提供兩種不同的實驗報告，一種是關(guān)于每個子項目的實驗報告，例如茶樹DNA的制備、PCR、連接、感受態(tài)細胞的制備、轉(zhuǎn)化、挑選、序列分析等；另一種是一個綜合性的實驗報告，將所有的實驗內(nèi)容整合在一起，寫一個完好的科學研究報告，包括目的、原理、經(jīng)過、結(jié)果和討論。在實驗教學中，注意發(fā)揮老師的主導作用和學生的主體作用。在實驗教學的開場階段，以驗證性實驗為主，學生在老師的指導下完成CsCBF1基因的克隆和序列分析。當學生把握了PCR技術(shù)、基因克隆和序列分析的基本方式方法后，鼓勵學生在查閱資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)老師提出的問題，自行設計試驗方案。學生在實驗前，提交實驗方案，指導老師對實驗方案進行修改后，組織學生討論，使學生深入理解實驗原理和實驗步驟。有了這些準備，學生便能夠擺脫對老師的依靠，獨立開展實驗工作。為了突出實驗教學的探尋求索性，在研究CsCBF1的亞細胞定位時，由不同的實驗小組分別將CsCBF1的編碼區(qū)與GFP基因融合，或者將程序預測的核定位信號的編碼序列同時與GST和GFP基因融合，然后觀察兩種不同的融合蛋白在洋蔥表皮細胞中的表示出部位。在確定CsCBF1能否與DRE/CRT順式作用元件發(fā)生特異性結(jié)合的酵母單雜交實驗中，分別將DRE/CRT或者突變型元件置于酵母表示出載體報告基因的上游外，轉(zhuǎn)化表示出CsCBF1的酵母細胞后，檢測兩種不同的轉(zhuǎn)化子的-半乳糖苷酶活性。在確定CsCBF1的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)時，將CsCBF1的編碼區(qū)和幾種不同的缺失突變體與酵母表示出載體的GAL4DNA結(jié)合域融合，轉(zhuǎn)化酵母細胞后，檢測各種轉(zhuǎn)化子的-半乳糖苷酶活性。對于以上實驗項目，能夠讓學生根據(jù)實驗的目的與要求自行設計不同的表示出載體，分組平行實驗，實驗后通過對不同組的實驗結(jié)果進行分析比擬，引導學生自個得出結(jié)論。盡管新的實驗教學體系包含的主要是常規(guī)的分子生物學實驗，但是要求每個實驗小組所做的每一步實驗都要成功還是不切實際的。假如實驗失敗，應幫助學生分析失敗的原因，并在時間允許的情況下，鼓勵學生重做實驗，獨立獲得實驗結(jié)果。但是，為了在規(guī)定的課時內(nèi)完成實驗教學內(nèi)容，老師要準備一套完好的實驗材料，例如茶樹的基因組DNA、攜帶有CsCBF1的質(zhì)粒、各種酵母表示出載體及轉(zhuǎn)化的酵母細胞長成的菌落等。沒有獲得實驗結(jié)果的學生，能夠從教師那里獲得實驗材料，進而使后續(xù)實驗能夠順利進行。相比于實驗結(jié)果，我們愈加關(guān)注學習的經(jīng)過，學生的某一項實驗失敗，并不影響實驗課的成績，除非錯誤反復發(fā)生。本課程采用多元化的考核方式方法。課程的考核評價體系由三個部分組成，第一部分是在實驗課結(jié)束時，每一實驗小組通過課件介紹實驗方案和實驗原理，展示實驗結(jié)果，并對結(jié)果進行分析討論，最后回答提問。該部分的成績占總成績的40%,以小組的形式給出，成績的評定內(nèi)容包括：課件能否清楚明晰地講明實驗原理和實驗方案，能否以恰當?shù)姆绞秸故緦嶒灲Y(jié)果，對結(jié)