基于模式生物的遺傳學理論和實踐的教學初探

謝天熾，曾 軍，申本昌，李佩瓊，張錦宏

（廣州醫學院 醫學遺傳與細胞生物學教研室，廣東 廣州 510182）

模式生物（Model Organisms）是指由生物學家選定的，用于揭示某種具有普遍規律生命現象的物種［1］，一般具有結構簡單、世代周期短、子代多、培養方便和基因組小等特點。遺傳學是生命科學中的一門新興學科，發展迅速，應用性強，涉及到生命科學的各個領域，現已成為現代生命科學的核心，在高校生命科學類專業及其相關專業培養方案中具有舉足輕重的地位。遺傳學上的若干重大發現都與模式生物的研究有著密切關系，把模式生物的研究與遺傳學的理論教學、實踐教學相結合，將有助于學生更深入地理解遺傳學的基本原理，開拓學生的視野，培養學生的研究思維和動手能力，為其進一步學習、科研打下良好基礎。

1 遺傳學研究常用的模式生物及其特點

1.1 大腸桿菌（Escherichia coli）

大腸桿菌為埃希氏菌屬（Escherichia）代表菌。其基因組由一環狀DNA組成，約42kb，編碼4，288個基因，繁殖迅速（平均30min／代），易于培養和操作。法國科學家F.Jacob和J.Monod通過對大腸桿菌的研究提出了原核生物基因表達調控的操縱子學說，獲得1965年諾貝爾生理學與醫學獎。大腸桿菌作為生命科學研究的模式系統，其主要優勢是具有遺傳交換系統。遺傳交換使定位突變、構建含多種突變的菌株、構建用來辨別顯性突變和隱性突變及進行順反式分析的部分雙倍體的菌株成為可能［2］。

1.2 黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）

果蠅作為經典遺傳學的模式生物，為基因學說的創立作出了不可替代的貢獻。20世紀初期，摩爾根（Thomas Hunt Morgan）和他的弟子們，通過果蠅實驗證實了遺傳的染色體學說，并發現了遺傳學的連鎖與交換定律，奠定了現代遺傳學的基礎。果蠅作為模式生物有著其突出的優點：①繁殖能力強，世代短（約12天／代），易于大量培養和進行突變體的篩選；②遺傳結構簡單，只有4對染色體，編碼13601個基因，其基因組測序已于2000年基本完成；③胚胎發育速度快，易于觀察軀體模式形成和各器官結構的變化；④幼蟲期的各對“成蟲盤”相應發育為成蟲特定的器官，是研究細胞分化的絕佳材料。相對高等動物而言，果蠅在基因分子進化、細胞生長、代謝、分化、繁殖和器官發生等方面具有保守性，其研究成果對探討其他生物的遺傳發育規律具有重要的指導價值［3］。

1.3 秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans，C.elegans）

秀麗隱桿線蟲 （簡稱線蟲），體長僅1.5mm，世代周期約3.5天，繁殖能力強，可在培養皿中培養和觀察。其基因組測序在1998年完成，約含13，500個基因。線蟲有一重要特點，就是其細胞數目少而且固定，成蟲有959個體細胞；在整個生活周期中全身透明，解剖結構簡單，易于在顯微鏡鏡下進行觀察和跟蹤發育過程中的細胞分化。實驗發現，線蟲在發育過程中有12%的細胞（131個細胞）經程序性死亡而消失，因而成為研究細胞程序性死亡的遺傳機理的重要模型［4］。同時，RNAi干擾現象也是首先在線蟲上發現，Andrew Z.Fire和 Craig C.Mello因其關于線蟲 RNAi的研究而獲得2006年諾貝爾生理學與醫學獎。

1.4 斑馬魚（Danio rerio）

斑馬魚是小型熱帶魚類，在20世紀70年代開始受到科學家們的關注，其基因組全系列測定已經完成。斑馬魚具有繁殖能力強、體外受精和發育、胚胎透明、性成熟周期短、個體小、易養殖等諸多特點，其卵子比一般哺乳動物卵子大十倍，外源基因容易導入胚胎中，胚胎學和遺傳學操作技術成熟，現已成為最重要的模式脊椎動物之一［5］。

1.5 擬南芥（Arabidopsis thaliana）

擬南芥是一種十字花科植物，其具有植株小，生長周期短，種子多，培育簡單，基因組小等特點。擬南芥只有5對染色體，是已知植物基因組中最小的植株，但它的大多數基因與高等植物基因具有很高的同源性，在代謝、遺傳、發育、環境響應等方面往往具有開花植物的全部特征。同時，擬南芥是自花受粉植物，基因高度純合，用理化因素處理突變率很高，極易開展大規模的遺傳篩選。目前擬南芥已經成為植物科學研究中最重要的模式生物，被科學家譽為“植物中的果蠅”［6］。

2 模式生物在遺傳學理論教學中的應用

2.1 通過模式生物引入新的知識點

很多遺傳學上的重大發現都與模式生物的研究有關，在講授這些知識點時可以用經典的例子把學生引入新知識點的學習。如在講解遺傳連鎖與交換定律前，教師可以先描述摩爾根的經典果蠅實驗結果，讓學生找出果蠅實驗結果與經典孟德爾遺傳規律相悖之處，并提出可能的假設以及設計驗證假設的實驗，從而鍛煉學生的思考和推理能力。

2.2 講解模式生物有助于學生加深理解所學的理論知識

遺傳學上很多繁雜的原理都可在模式生物上找到相關的例子，在講授這些知識點后可舉例說明這些例子，幫助學生深入理解所學的知識。如在講解核外遺傳分析的原理后，可以舉例說明果蠅的CO2敏感性以及性比（sex ratio，SR）現象均與核外遺傳中的感染性遺傳有關，從而加深學生對核外遺傳現象與本質的認識。

2.3 講解模式生物有助于學生歸納所學的知識點

許多紛雜的生命現象有其獨特的遺傳學機制，這些繁雜的遺傳學現象相對獨立，彼此缺少明顯聯系。筆者在教學過程中發現，學生普遍感覺遺傳學知識點過多、凌亂，難以綜合歸納，在學習過程中有畏難情緒，嚴重地影響了遺傳學教學。在遺傳學課程學習的結束階段，筆者針對不同專業學生，并以模式生物為主要線索，將遺傳學多個知識點串聯起來，有效地培養了學生的多向性思維和綜合歸納能力，也激發了學生的學習興趣。如以大腸桿菌為線索，可以歸納中斷雜交作圖、原核生物操縱子原理、質粒介導核外遺傳原理等知識點；以果蠅為線索，可以歸納遺傳連鎖與互換定律、性別決定與伴性遺傳、性比現象、三點測交與遺傳作圖原理、表觀遺傳調控、轉座子、發育的遺傳控制等知識點，使學生系統地掌握了遺傳學的基本知識。

3 模式生物在遺傳學實驗教學中的應用

3.1 模式生物實驗有利于開展研究性的實驗教學

隨著生命科學的高速發展和教育理念的改革，簡單的驗證性和觀察性實驗已經不能滿足現今的教學需要，遺傳學實驗教學的設置已經向研究性和設計性實驗轉變［7］。模式生物的結構簡單、世代短、子代多、培養方便等特點，用其作為實驗教學材料，將易于實現研究性和設計性實驗的教學。而且學生可以通過實驗初步掌握模式生物的生長習性和操作方法，為以后進一步研究打下良好基礎。

3.2 模式生物實驗有利于學生理解所學的理論知識

遺傳學是一門推理性的學科，而不是描述性的。研究遺傳學的方法很像物理學，是根據自然現象或實驗數據推理出一種假說，然后通過實驗加以驗證［8－9］。很多遺傳學的原理都可在模式生物上驗證，我們可根據理論課的進度安排相應的驗證性實驗，幫助學生將理論與實驗結合起來。在培養學生動手能力的同時，加深學生對理論知識的理解和吸收。

如在學習三大遺傳基本定律后，可開展果蠅雜交實驗。剛接觸遺傳學的大學新生，在學習連鎖與交換有關知識點時一般認為同一條染色體上連鎖的基因都會發生交換。我們通過設計兩個連鎖基因的雄果蠅和雌果蠅的測交實驗，使學生了解到雄果蠅的完全連鎖，即位于雄果蠅染色體上連鎖的基因不發生交換的事實，使學生加深完全連鎖的感性認識，取得了較好的教學效果。在此基礎上，筆者提醒學生雌蠶的完全連鎖現象，并引導學生進一步思考、討論為什么雄果蠅雌蠶是完全連鎖，激發了學生的學習興趣；并鼓勵學生在以后工作中要根據實驗和觀察結果，發現并解決問題。

4 結語

隨著生命科學的發展，模式生物的研究日益顯示出其重要性。在遺傳學課程的理論課程和實驗課程的教學中應用模式生物，可使理論學習與實驗相結合，讓學生既能更有效地掌握教材中的基本知識，又能了解該學科的前沿領域和發展方向，為其進一步學習、科研奠定良好的基礎。

［1］Zhao XY，Liang SF，Yao SH，et al.Identification and preliminary function study of Xenopus laevis DRR1gene［J］.Biochem Biophys Res Commun，2007，361：74－78.

［2］王 凱.生命科學研究中常用模式生物［J］.生命科學研究，2010，14（2）：156－165.

［3］吳慶余.基礎生命科學（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2006：158－193

［4］樊啟昶，白書農.發育生物學原理［M］.北京：高等教育出版社，2002：9－l0

［5］Liu CS，Mu Y，Du JL.Application of the zebrafish in the research of life sciences ［J］.Chin Bull Life Sci（生 命 科學），2007，19：382－386.

［6］張振楨，許煜泉，黃 海.擬南芥—一把打開植物生命奧秘的鑰匙［J］.生命科學，2006，18（5）：442－446.

［7］王金發.整合理念構建開放式研究性的教學與學習新模式［J］.中國高等教育，2007，（21）：20－22

［8］徐晉麟，徐 沁，陳 淳.現代遺傳學原理（第二版）［M］.北京：科學出版社，2005：1－5.

［9］戴灼華，王亞馥，栗翼玟.遺傳學（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2007：80－107.