“PCR擴增技術”的教學組織

郭 薇 （大連市普通高中創新實踐學校 遼寧大連 116000）

PCR擴增技術是人教版高中生物學選修1《生物技術實踐》中的實驗內容，是“多聚酶鏈式反應擴增DNA片段”一節的難點所在。筆者對該實驗進行合理改進，設置了具有現實意義的實驗背景，優化了實驗方案，使其更適于課堂教學組織。

1 學習內容組織

1.1 PCR的原理 PCR是一種體外擴增目的DNA的分子生物學技術。它以DNA為模板、引物為指導、多聚酶為工具、4種脫氧核糖核苷酸為原料，在特定的反應條件下，經變性、復性、延伸多個循環，擴增大量目的DNA以達到分析、檢測等實驗目的。該技術的特點是快速、精確、高效、易操作。

作為最常用的PCR結果檢測方法，瓊脂糖凝膠電泳具有直觀、準確的特點，只需在完成電泳后，將瓊脂糖凝膠放置在凝膠成像儀中觀察，根據特異性條帶的有無、大小范圍，判斷實驗成功與否，適用于教學開展。

1.2 PCR的應用 作為一種重要的分子生物學技術，PCR被廣泛應用于遺傳病診斷、古生物學研究、基因克隆和刑偵破案等多領域，具有極強的現實意義。開展此實驗，既能培養學生的實踐能力，又能幫助學生解決實際問題，增強學生的實驗興趣，獲取實驗成就感。

1.3 PCR的操作 操作導圖見圖1。

圖1 操作導圖

2 學習目標表述

1）知識目標：簡述PCR技術在生活中的應用。

2）能力目標：使用分子生物學實驗儀器進行PCR實驗，也是本節課的教學重點和難點。

3）情感態度與價值觀目標：養成合作探究精神和嚴謹的科學態度。

3 實驗教學組織

為了更好地實現教學目標，有效開展教學組織，筆者依據教材，將籠統問題具體化，對實驗背景和實施方案進行改進完善。

3.1 實驗背景 以刑偵破案作為實驗背景。警方已從案發現場找到了少量嫌疑人的頭發，卻難以提取出大量的DNA用于嫌疑人性別分析，如何通過PCR技術實現性別鑒定，幫助警方破案？已知：人類女性的性染色體為XX型，男性為XY型，而Y染色體上有一段特異性的DNA序列，稱為“DYZ1”序列，它只存在于Y染色體上，是男性特有的DNA序列［1］。根據這一事實，若在DNA樣本上檢測出“DYZ1”序列，則可判斷嫌疑人為男性，反之為女性。

3.2 材料與儀器 性別鑒定試劑盒、微量移液器、微量離心管、移液器吸頭、離心機、渦旋混合儀、PCR儀和瓊脂糖凝膠電泳儀、凝膠成像儀等。

3.3 實驗步驟

3.3.1 獲取模板DNA 以毛囊細胞中的DNA作為模板DNA，分別取1名男性和1名女性帶有毛囊的頭發各4根，分別置于2個0.5 mL離心管內，男性標為甲，女性標為乙。

3.3.2 配制PCR反應體系 利用PCR試劑盒中提供的“DYZ1”特異性引物對模板DNA進行PCR擴增。反應體系中各成分用量如表1所示，總體積為20 μL。置于混合儀上數秒后，放入微量離心機，使反應液集中在離心管底部。

表1 PCR反應體系

3.3.3 設置PCR反應程序 將已離心的甲、乙2個離心管放到PCR儀中，設置好循環條件后啟動PCR儀，完成PCR擴增。

循環條件為：預變性溫度95℃，保溫30 s；變性溫度95℃，保溫20 s，復性溫度52℃，保溫20 s，延伸溫度72℃，保溫20 s，循環次數為30次。

3.3.4 PCR結果檢測 稱量0.3 g瓊脂糖粉末，量取20 mL的1×TBE加熱溶解瓊脂糖（為避免加熱過程中溶液過度蒸發，實際可多量取3～5 mL的1×TBE），加入1 μL的GoldviewⅡ型核酸染料混合均勻。灌膠，待凝膠凝固后，分別取甲、乙2組PCR產物各10 μL，各與2 μL的6×上樣緩沖液混合，將混合液分別加入到2個上樣孔內。

向電泳槽內加1×TBE至剛剛沒過凝膠，調節電壓至4 V/cm，電泳20 min。電泳結束后，使用凝膠成像系統觀察并拍照。

4 實驗結果

如圖2所示，可清楚看出，在紫外燈照射下，甲有一條長度為500 bp左右的明亮DNA條帶，乙沒有任何條帶顯示。由此判斷，樣品甲PCR擴增出的DNA片段與“DYZ1”片段大小吻合，即PCR產物是男性“Y”染色體上的“DYZ1”，而乙沒有擴增出DNA片段。綜上所述，甲為男性，乙為女性，即實驗結果與事實一致，實驗可行。

5 改進后的優點

恰當、易懂且具有針對性的實驗背景能更好地激發學生的實驗熱情，加深學生對PCR理論知識的理解，幫助學生構建清晰、確切的知識體系，且在設置實驗背景的同時，明確實驗目的，完善實驗方案，使PCR反應體系及PCR反應程序更加具體化，更具有針對性和可操作性，瓊脂糖電泳的檢測手段可使實驗更加嚴謹。通過以上教學改進，可大幅度減輕教師的工作負擔，提高教學效率。

教師在實驗的教學組織中，不僅要引導學生完成實驗任務，更需要幫助學生樹立嚴謹的科學態度，所以實驗方法的準確性和嚴謹性就尤為重要。筆者認為，改進后的實驗在材料準備、PCR條件建立以及結果檢測方法上，都更加完善，且本實驗所需實驗器材較少，實驗藥品毒性極低［2］，對實驗室也無特殊要求，適合在高中生物學實驗教學中開展。