“基因組學前沿專題”課程研究生教學模式探析

[摘 要] 隨著DNA測序技術的快速發展，以基因組為代表的組學技術在農林類院校生物學相關的研究中越來越受到重視，逐漸成為必備的研究方法和手段。然而，目前直接從事相關研究的大部分研究生一般具有生物學背景，缺乏與組學相關的背景知識和思維方式，導致組學技術的推廣與應用受到較大限制。研究生公選課程“基因組學前沿專題”旨在為具有生物學背景的低年級碩士、博士研究生提供以基因組學為中心的多組學的理論基礎、應用場景以及分析技術原理等，幫助學生快速建立組學相關的研究意識，促進組學的理念和技術服務于后續的研究課題。在本課程中，通過課堂教學和討論報告相結合的方式，可增進學生和教師之間的交流，激發學生學習的積極性和主動性，加強學生對基因組學相關原理和分析方法的了解，并將其作為一種手段和方法，促進適用于農林類生物學的研究，滿足現代社會對創新型人才的需求。

[關鍵詞] 基因組學;教學模式;討論報告;農林類院校

[基金項目] 2021年度華中農業大學研究生培養條件建設項目“與時俱進建設‘基因組學前沿專題’課程”

[作者簡介] 鄭金水（1982—），男，湖北麻城人，博士，華中農業大學信息學院副教授，主要從事生物信息學研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）16-0145-04 [收稿日期] 2021-08-30

基因組學主要以生物體所有的遺傳物質為研究對象，研究其演化、結構、功能、編輯等以及如何與表型相關聯。隨著人類基因組計劃的完成，DNA高通量測序技術得到快速發展，越來越多的模式生物基因組測序工作逐漸完成，生物學的研究進入后基因組時代。這也使分子生物學中基因的研究從“單個”進入“整體”，即從生物體整體的觀念研究全部遺傳物質結構和功能[1]。

基因組學的理念和方法已經被應用到生命科學研究的各個領域，并且相互融合、相互促進。同時，以基因組學為起點的其他組學（表觀組、轉錄組、宏基因組等）也快速發展，極大地推動生命科學的跨越式發展。群體基因組、3D基因組、功能基因組、表觀基因組與宏基因組學等新手段給人類對于表型與基因型的關系、變異與疾病的聯系等帶來一系列全新的認識。基因組學不僅在人類疾病預測、新型藥物開發、精準醫療等方面發揮重大作用，也在農作物改良育種、病蟲害防治、生態環境保護等方面起到越來越重要的作用。

在農林院校，涉及以生物為對象的科學與應用研究中，基因組學已經成為必備的研究手段之一。然而，大部分直接從事研究工作的研究生一般具有較好的生物學背景，卻缺乏基本的組學相關的理念與技能。“基因組學前沿專題”從基因組學概念、測序技術原理、分析手段的算法基礎出發，結合具體實例，帶領低年級研究生深入認識基因組學的基本理念和方法，了解基因組學技術的應用場景以及如何與農林類科學研究相結合。作為一門快速發展的前沿交叉學科，其覆蓋內容廣泛、概念多、難度大，同時與其他學科逐漸有更多的交叉融合。這就要求授課者根據學生情況做好課程設計，在授課過程中將復雜問題簡單化，將抽象問題具體化，深入淺出地將系統知識傳授給學生[2]。

我們自2017年開課以來，累計選課人數接近200人，授課效果良好。本文將農林類院校教學現狀和課堂過程中的實踐相結合，從“基因組學前沿專題”課程概述、教學內容設置及考核方式等方面的研究生教學模式探索進行分析，提出教學創新之處，拓展學生對基因組學知識的理解，培養學生將所學知識應用于實踐的能力。

一、“基因組學前沿專題”課程概述

基因組學涉及許多抽象的概念和多生物學學科交叉，使得目前一些院校與基因組學相關課程的開設有一定的難度。對基因組學知識的學習，既需要將學生前期具備的比較零散的遺傳學、分子生物學、生物化學等生物學知識進行系統性地整合，又必須將這些系統知識逐步引入組學范圍，進而強化對基因組學的理解。同時，因為基因組學前沿性很強，很難統一課堂教材，給課堂上教師的授課也帶來了一定的難度。許多農林類院校的大多數基因組學相關課程，大半篇幅實際是遺傳學和分子生物學的內容。此外，大部分農林類院校生命科學類專業的研究生具有生物學知識學習背景，但缺少組學相關背景知識和思維方式，給以組學為手段的相關課題研究帶來一定的挑戰[3]。

本課程授課對象為全校生物類碩士、博士研究生，教師授課部分主要以基因學概述以及DNA測序技術為起點，介紹基因組學的基本理論;參照各大主流期刊（Nature Genetics、Nature Biotechnol-ogy、Genome Research等）發表的相關成果，介紹基因組學中普遍使用的分析流程和方法，著重解釋算法原理，加強學生對基因組學技術原理和方法的了解，以便將所學知識應用于實踐，促進科學理論研究。文獻分享部分，學生根據自身研究方向或興趣，在教師指定的文獻庫或話題范圍中廣泛瀏覽文獻，選擇報告話題、進行文獻閱讀和匯報，并組織教師和學生討論相關話題。在以往的教學模式中，教師的講述往往占課堂總時間的90%以上，而基因組學這樣的前沿交叉學科更需要新的教學內容、更加多元的教學方式。我們采用課堂講授和小組討論報告相結合的形式，將教師課堂講授的時間降低至60%以下，充分發揮學生主體的主觀能動性，將“教”與“學”相平衡，從而提高“基因組學前沿專題”課程的教學質量和學生積極主動學習的能力[4]。

二、教學內容設置

“基因組學前沿專題”的教學內容分為教師講述和學生文獻分享與討論兩個部分。第一部分內容包括基因組學概況、DNA測序技術、基因組學研究方法、微生物組學進展。第二部分主要圍繞基因組學近期熱點進展進行討論。本課程為2學分的研究生課程，共32學時。在上述兩部分中，前者內容占18學時，后者占14學時。

（一）基因組學概況

基因組學涉及的概念多、難度大，本章旨在引導學生全面認識基因組學的基本概念。本章授課內容主要分三個層次：（1）從基因組學基本概念入手，重點講述基因組學與基礎生物學之間的聯系與區別，然后講述由分子生物學向基因組學過渡的歷史必然性;（2）以模式微生物、模式動物、模式植物到人類基因組計劃為載體介紹基因組學的發展歷史;（3）介紹基因組學的主要研究內容，以及后基因組學時代以基因組學為起點的其他組學的最新進展。

（二）DNA測序技術

DNA測序技術是基因組學研究的基礎，理解測序技術的原理和方法對充分掌握基因組學的研究理念和分析技術原理至關重要。根據測序技術發展歷程，本章主要講述四部分內容：（1）第一代DNA測序技術，重點講述Sanger測序的基本思想和測序方法改進背后的理論基礎;（2）第二代測序，在簡介二代DNA測序技術發展歷史的基礎上，重點介紹454測序技術、Illumina測序技術以及DNA納米球測序技術的測序原理;（3）第三代測序技術，主要介紹PacBio SMRT和納米孔測序的基本原理;（4）現代測序技術不同平臺之間的優劣勢比較，以及應用場景分析與比較。

（三）基因組學研究方法

本章主要介紹基因組學研究中的基本分析流程，重點講解關鍵分析步驟涉及的基本原理和方法，注重講述根據不同科學目標設計不同的分析框架，選擇不同的分析方法。主要內容包括：（1）來自不同DNA測序平臺下機數據的處理;（2）序列組裝，包括根據不同物種設計的不同測序策略下的多種組裝方式的原理與方法;（3）基因組注釋，主要涉及真核生物、原核生物的基因結構注釋和功能注釋;（4）變異位點分析，針對真核生物和原核生物基因組的不同特點，分別介紹一般的設計與分析策略和方法;（5）比較基因組學，分別針對原核生物和真核生物，講述比較分析的基本概念和分析流程。

本章主要力爭使得學生能夠理解基因組研究的基本思想和一般方法，因此在課程設計上，重點介紹常見分析流程和軟件在生物學方面的應用原理，并通過組織農林類生物學基因組分析的實例，以及少數明星開源軟件工具的使用方法，對基因組學為代表的組學分析方法原理做詳盡的介紹。

（四）微生物組學進展

由于近年來微生物學研究快速發展，許多傳統生物學科已經迅速與微生物組學交叉，本章將針對這個熱點重點講述微生物學研究的基本思想和方法。本章從微生物組學研究實例出發，主要內容包括：（1）微生物學的概念，主要講述微生物組學的定義、與宏基因組學的聯系與區別以及關鍵研究進展;（2）基于16S rDNA擴增子測序的微生物群體多樣性，講述主要的研究思路、一般的實驗方法以及常見的數據分析流程等;（3）宏基因組與宏轉錄組，主要講述宏基因組與宏轉錄組的基本概念、實驗手段、常見的分析手段，以及與基于16S rDNA擴增子分析的聯系與區別;（4）微生物組生物工程，主要講述目前通過多種手段改造微生物群落結構，影響其功能，進而影響宿主與環境的健康狀態等。

（五）基因組學近期熱點進展討論

基因組學研究內容廣泛，是生命科學的前沿學科和交叉學科，學習本課程的主要目的是促進學生在以后的研究工作中充分發揮組學研究手段的優勢，推動科研活動更加全面進行。經過前一部分的學習，學生對于基因組學的基本理論和基本方法有了比較全面的認識，本部分重點引導學生通過關鍵文獻的學習以及與教師和學生的充分交流，進一步加深對基因組學研究理念的認識，理解基因組學有關的實驗設計、所學數據類型和數據分析流程。

“基因組學前沿專題”的教學強調對課程內容和目前熱點話題的活學活用、靈活討論，僅靠課堂講授是不能達到的，需要采用不同于以往的方式，充分調動學生的自主學習性，并且學以致用[5，6]。因此，本課程在教學中設計討論報告的形式，根據本領域最新研究進展，結合農林類相關院校的研究重點，提供了6種主題，包括植物基因組進展、動物基因組進展、微生物基因組進展、單細胞測序技術熱點、微生物組與現代農業、人類健康等。

基于教學效果考慮，本課程限選課人數為65人。學生主要來自信息學院、植物科學技術學院、生命科學技術學院、動科動醫學院、園藝林學學院、食品科學學院。根據所從事研究課題的背景和個人興趣，選課學生自由組合，每組3～4人，共計20余小組。每個小組參考教師所提供的基因組學熱點話題和候選文獻庫，通過查閱文獻和背景資料，確定自己小組感興趣的話題自學和討論，每個小組內的具體分工及合作方式由小組自行決定。最終每個小組由一位成員進行15分鐘左右的PPT展示匯報，組內其余學生可對報告內容進行補充，再由其他學生點評或者提問，該小組所有學生參與討論。通過這種方式，反復閱讀選擇的相關內容文獻，學生之間積極討論，能夠理解其中科學的思維方法、實驗設計思路和實驗方法細節，融會貫通前沿學科知識，培養自己的科研思維能力，對當前基因組學研究中比較前沿的熱點內容有更加深刻的認識。

三、考核方式

在本課程中，課堂平時成績占總成績的40%，主要是課堂出勤、上課表現、與教師互動等多方面的考查，鼓勵學生多提問、多交流，形成良好的師生互動，加深理解。討論報告成績占30%，包括PPT講解演示成績、小組討論中的表現、演示結束解答疑惑的狀態，考查學生及其小組對所選主題的理解，組內是否充分討論了感興趣的熱點話題。最后，課程論文成績占30%，每位學生根據課堂講授選擇其他自己感興趣的基因組學研究內容、研究手段、分析方法等主題，總結一份1000字以上的課程論文，以此考查學生對課程重點內容的理解。綜合多種考核方式，增強研究生對基因組學的理解和組學相關思維方式，促進學生自己發現并解決問題，從而促進組學相關方面的科學研究。

基因組學如今已經逐漸滲透到生命科學的各個領域，對農林類院校的生命科學專業研究來說更是如此，推動了生命科學領域的發展。本課程采用課堂講授和討論報告相結合的方式，多方位闡述了基因組學的理念、基本概念、研究領域和核心技術，特別是基因組學對農林類生命科學和生物技術的貢獻。

參考文獻

[1]楊煥明.基因組學[M].北京：科學出版社，2016.

[2]歐陽立明，張惠展.基因組學課程體系與教學實踐[J]. 遺傳，2011，33（3）：278-282.

[3]趙陽，江海洋.后基因組時代農林院校基因組學教學改革探析[J].現代農業科技，2015（3）：337-338.

[4]歐陽立明，肖君華，張惠展.過程啟發式教學在基因組學課程中的實踐[J].微生物學通報，2006，33（4）：180-183.

[5]于愛群，馬立娟，郭學武，等.主題研討模式在“合成生物學導論”課程中的應用[J].高校生物學教學研究（電子版），2019，9（1）：30-34.

[6]張擎，鄭凌伶.基于整合互聯網優勢資源的基因組學課程教學新模式[J].教育教學論壇，2020，565（46）：156-158.

Abstract： With the rapid development of DNA sequencing technology， the omics technology represented by genomics has attracted more and more attention in biology-related research in agricultural and forestry universities， and has gradually become a necessary research method. However， at present， most postgraduates directly engaged in related research generally have biological background and lack of background knowledge and thinking mode related to omics， resulting in great restrictions on the promotion and application of omics technology. The public elective course of Current Topics on Genomics for postgraduates aims at providing junior masters and doctoral students with biological background with the theoretical basis， the application scenarios and the analytical technology principles of genomics centered multi-omics， helping students quickly establish research awareness related to omics， and promoting the idea and technology of omics to serve subsequent research topics. In this course， through the combination of classroom teaching and discussion report， we can enhance the communication between students and teachers， stimulate students' learning enthusiasm and initiative， strengthen students' understanding of related principles and analytical methods of genomics， and use them as a means and method to promote the research applicable to agricultural and forestry biology， so as to meet the needs of modern society for innovative talents.

Key words： Genomics; teaching model; discussion report; agricultural and forestry universities