指向科學思維培養(yǎng)的PCR相關例題淺析

摘要：本文以人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》第3章“基因工程”中基礎PCR技術相關例題為例，淺析如何在習題中啟發(fā)學生畫圖歸納，激發(fā)批判性思維，巧設問題活躍創(chuàng)造性思維，促進學生生物學科核心素養(yǎng)中科學思維的培養(yǎng)。

關鍵詞：基因工程；PCR;科學思維

文章編號：1003-7586（2024）04-0067-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

隨著DNA雙螺旋結構模型在20世紀50年代問世，生物學的新寵兒——分子生物學誕生，世界各地的科研人員僅在20年后便催生了一項改變人類社會生活的，嶄新的生物技術工程——基因工程。基因工程自誕生以來，發(fā)展勢頭迅猛，不管是在農牧業(yè)生產還是醫(yī)藥衛(wèi)生方面，都極大地改善著人們的生產生活。基因工程是人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》（以下簡稱“教材”）第3章的內容，學生因其微觀抽象、遠離生活、衍生技術頻出而感到困難。伴隨著新課程標準的推行，各地新高考方案的落地，越來越多的一線教師想盡辦法改變傳統(tǒng)教學模式，不斷地優(yōu)化課堂教學設計，更加關注學生的學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。筆者就基因工程中基礎的PCR技術相關例題，淺析如何在習題中啟發(fā)學生畫圖歸納，適當延展知識激發(fā)批判性思維，巧設問題活躍創(chuàng)造性思維，促進學生生物學科核心素養(yǎng)中科學思維的培養(yǎng)。

1 構建圖像模型，解決特殊引物擴增問題

例1 用PCR技術將DNA分子中的A1片段進行擴增，設計了引物工、Ⅱ，其連接部位如圖所示，X為某限制酶識別序列。擴增后得到的絕大部分DNA片段是圖中的（ ）。

對于PCR產物分析類題目，學生很難在短時間內完成特殊引物擴增多輪的產物分析。筆者認為解決這類問題的方法之一是啟發(fā)學生畫圖，用簡單的圖像模型來模擬PCR反應，并從中尋找答案。

教師可在課堂展示PCR第一輪、第二輪的擴增過程，用紅色粉筆描紅添加在引物Ⅱ5＇端的限制酶識別序列，之后引導學生畫出第三輪的擴增產物，并對該輪產物進行分析（見圖1）。第三輪擴增產生的8個DNA分子中，有4個DNA分子帶有限制酶的識別序列，有11條DNA單鏈帶有片段X。以此類推，隨著擴增次數的增加，擴增后得到的絕大部分DNA片段是圖中的D項。

教師可繼續(xù)提問：在引物末端添加限制酶識別序列的目的是什么？學生在課堂學習PCR技術擴增目的條帶后，進行操作設想的時候會產生疑惑，經PCR擴增獲得的目的基因，要和質粒載體進行拼接，目的基因兩端并沒有限制酶的識別序列，沒有辦法與被酶切后的載體相連。這道題目實際上在解答學生的疑惑。

關于巧設引物編出的新題在近幾年的模考中頻繁出現。“基因定點誘變技術”是實現第二代基因工程——蛋白質工程的方法之一，在教材第94頁“學科交叉”部分有所提及，而基因定點誘變技術的核心就在于引物的設計。

例2 通過設計引物，運用PCR技術可實現目的基因的定點誘變。如圖為基因工程中獲取突變基因的過程，其中引物工序列中含有一個堿基T不能與目的基因片段配對，但不影響引物與模板鏈的整體配對，反應體系中引物Ⅰ和引物Ⅱ的5＇端分別設計增加限制酶a和限制酶b的識別位點。有關敘述正確的是（ ）。

A．在PCR反應體系中還需要加入4種游離核苷酸、解旋酶、Taq酶等

B．第二輪PCR，引物Ⅰ能與圖中②結合并且形成兩條鏈等長的突變基因

C．引物中設計兩種限制酶識別位點有利于目的基因定向插入運載體

D．第三輪PCR結束后，含突變堿基對且兩條鏈等長的DNA占1/2

筆者針對D選項中的三輪擴增產物結果進行分析，采用畫圖方式解決。教師在黑板上展示第一輪擴增后的產物，并啟發(fā)學生沿著思路畫出第二輪的擴增產物。在確認第二輪4個DNA分子的準確性后，教師啟發(fā)學生思考：第二輪產物中哪些DNA單

鏈作模板，在第三輪中才能擴增出等長的DNA分子？

學生會找到第二輪擴增產物中最長的兩條DNA單鏈并用★標注（見圖2），緊接著教師請學生畫出分別以這兩條單鏈為模板的第三輪產物。很顯然，結果是這兩個DNA分子都符合D項中的含突變堿基對且兩條鏈等長，占第三輪DNA產物總量的1/4。

2 延展膠回收知識，激發(fā)學生批判性思維

例3 在基因工程中利用下圖中的某目的基因和P1噬菌體載體構建章組DNA。限制性內切核酸酶BglⅡ、EcoRⅠ和Sau 3AⅠ的酶切位點分別如圖所示。下列分析錯誤的是（ ）。

A．構建重組DNA時，可用BglⅡ和Sau 3AⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌體載體

B．構建重組DNA時，可用Eco RⅠ和Sau 3AⅠ切割目的基因所在片段和P1噬菌體載體

C．圖乙中的P1噬菌體載體只用EcoRⅠ切割后，含有2個游離的磷酸基團

D．用Eco RI切割目的基因所在片段和P1噬菌體栽體，再用DNA連接酶連接，只能產生一種重組DNA

B選項是易錯選項，從學生的課堂解答中會發(fā)現學生的共性錯誤：構建重組DNA時，用Eco RⅠ和Sau 3AⅠ切割目的基因所在片段，其中有兩個不同的片段符合重連的要求，即圖3所示的片段①和片段②。學生依據已有知識進行分析，只要是與酶切后的載體粘性末端相同的DNA片段，都可以在DNA連接酶的作用下與切開的載體完成重組連接。當課堂認知出現瓶頸的時候，老師可以適當地延展PCR及電泳的后續(xù)操作——膠回收。

當瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴增產物準確無誤之后，就要進行膠回收來實現目的DNA分子的大量收集。一般利用從生物試劑公司購買的柱式DNA膠回收試劑盒。瓊脂糖凝膠電泳檢測后，用DNA凝膠回收試劑盒回收純化的PCR產物，試劑盒中有一個特制的管，將膠填充到其中，利用膠在高鹽低pH下吸附DNA，在低鹽和高pH條件下DNA可再被洗脫的原理，進行DNA的回收和純化。整個過程僅需30分鐘，便可完成DNA片段的純化工作。酶切后的DNA分子可用此方法完成目的基因、質粒等片段的選擇性回收。這也就解答了學生心中的疑惑，片段①才是實驗中膠回收的片段，而依據電泳圖中分子量的大小，片段②會在電泳后被舍棄。

高中教材關于基因工程的編寫是貼近高中生認知水平的，而真實的分子生物學實驗操作遠比書上復雜得多。膠回收這一步驟的缺失，是學生解決酶切連接問題的瓶頸。因此適當地延展膠回收的知識，可以激發(fā)學生的批判性思維，使學生理性、全面地看待書本上的技術手段，有質疑，有困惑，認知才會有新的發(fā)展。

3 問題啟發(fā)式介紹衍生PCR技術，活躍學生創(chuàng)造性思維

例4 如果已知一小段DNA的序列，可采用PCR的方法，簡捷地分析出已知序列兩側的序列，具體流程如圖所示（以Eco RⅠ酶切為例）。

（3）若下表所列為已知的DNA序列和設計的一些PCR引物，步驟Ⅲ選用的PCR引物必須是____（從引物①②③④中選擇，填編號）。

本題的情境很簡單，當DNA的某些序列已知，而需要擴增已知序列兩端的未知序列時，可采用特殊PCR技術，即分子實驗中的反向PCR技術。在第（3）問的引物選擇上，許多學生會依據書本上擴增目的基因的思路，錯選引物①、③。

一線教師應該想辦法拉近衍生PCR技術和課本PCR技術的距離，可以以設問的形式將問題拋給學生，活躍學生的創(chuàng)造性思維。以本題的第（3）問為例，教師可以拋出以下問題：為何選擇Eco RⅠ對DNA片段進行單酶切？能否采用多酶切？DNA連接酶連接成環(huán)的目的是什么？以環(huán)為模板，擴增后的產物是環(huán)狀還是鏈狀？若想擴增環(huán)狀DNA中的已知序列，應該選取哪對引物？若想擴增兩側的未知序列呢？

學生掌握了基因工程的操作步驟后，會明白DNA分子量較大，需要酶切成小片段，單酶切的優(yōu)勢是產生相同的黏性末端，便于將分離得到的F片段連接成環(huán)。學生已經熟知PCR的相關原理，知道以鏈狀F片段作模板，無法從中間已知序列擴增出兩端未知序列，成環(huán)后則可以實現未知序列的擴增。教師繼續(xù)引導學生理解若以環(huán)為模板進行PCR擴增，那么由于Taq酶只能將單個脫氧核糖核苷酸連接到引物之后，且PCR反應體系中沒有DNA連接酶，所以以環(huán)為模板擴增后的產物是鏈狀的。

學生結合學過的PCR引物知識，會快速反應出擴增環(huán)狀DNA中的已知序列，選取的是引物①、③，而本題的核心問題是想擴增已知序列兩側的未知序列，那么在連接成環(huán)的情況下，引物應選取②、④。

例5 重疊延伸PCR技術是采用具有互補末端的引物，使PCR產物形成重疊鏈，從而在隨后的擴增反應中通過重疊鏈的延伸，獲得想要的目的基因。某科研團隊運用重疊延伸PCR技術在水蛭素基因的特定位點引入特定突變，以實現基因的定點突變，原理如圖所示。

下列說法錯誤的是（ ）。

A.過程②需要含Mg2＋的緩沖液、DNA模板、引物、4種脫氧核苷酸、耐高溫的DNA聚合酶等

B．若引物工、引物Ⅱ組成的反應系統(tǒng)和引物Ⅲ、引物Ⅳ組成的反應系統(tǒng)中均進行一次DNA分子的復制后，一共會產生2種DNA分子

C．經過程④獲得的雜交DNA有2種，其中只有一種可以經過程⑤獲得目的基因

D．過程⑤使用耐高溫的DNA聚合酶延伸，不需要引物

重疊延伸PCR技術在題目的圖文中介紹得很全面，但學生初見此特殊PCR技術難免產生畏難情緒，一線教師可以借助階梯式的問題，啟發(fā)學生，讓學生在問題解答過程中增強學習的自信心。例如，針對本題，教師可設置問題串：過程①需要在兩個PCR體系中完成，這兩個體系中添加的成分有哪些？主要成分差異是什么？過程④獲得的雜交DNA有幾種？新合成子鏈的延伸方向如何？過程④獲得的雜交DNA都可以在耐高溫的DNA聚合酶作用下進行延伸嗎？耐高溫的DNA聚合酶的作用特點是什么？過程⑤是否還需添加引物？

學生在問題串的引導下，從簡單的問題人手，逐步厘清重疊延伸PCR技術的原理和要點，并在問題解決過程中體悟書本中PCR技術基礎知識的奠基意義，更深切地感受分子生物學的蓬勃發(fā)展。

4 教學反思

學生生物學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成不是一朝一夕可實現的，需要一線教師仔細研讀課程標準，在教學實踐中滲透學科核心素養(yǎng)。基因工程是抽象難懂的微觀技術，頻出的衍生技術更是令學生望而卻步，身為教師應盡己所能，注重習題評講的教學設計與教學方法，在平常的習題中挖掘滲透核心素養(yǎng)切入點。