歐秀芳，吳瑩，李寧，姜麗麗，劉寶，宮磊

遺傳學(xué)教學(xué)

基于科教融合培養(yǎng)大學(xué)生拔尖創(chuàng)新能力的表觀遺傳學(xué)綜合實驗課程

歐秀芳，吳瑩，李寧，姜麗麗，劉寶，宮磊

東北師范大學(xué)，分子表觀遺傳學(xué)教育部重點實驗室，長春 130024

科教融合是高校培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的有效途徑。表觀遺傳學(xué)是對經(jīng)典遺傳學(xué)的拓展，針對本校拔尖人才培養(yǎng)體系中表觀遺傳學(xué)實驗內(nèi)容的缺失，我們首次進行了表觀遺傳學(xué)科教融合、協(xié)同育人的嘗試，將本實驗室前期在水稻中開展的基因的研究成果進行實驗教學(xué)轉(zhuǎn)化，建成了一個集前沿性、研究型和創(chuàng)新性為一體，以學(xué)生獨立實驗為中心，考核方式多元化的表觀遺傳學(xué)綜合實驗課程。本課程以基因突變體和野生型為實驗材料，將表觀遺傳上游酶促基因突變與基因組內(nèi)特定位點的DNA甲基化和基因組穩(wěn)定性聯(lián)系起來。通過本課程的實踐，學(xué)生對表觀遺傳修飾的重要作用有了更深刻理解，科研能力得到極大提升，強力支撐了本專業(yè)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

科教融合；表觀遺傳學(xué)綜合實驗；實驗教學(xué)

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是國家長遠發(fā)展的大計。黨的二十大明確提出要深入實施科教興國戰(zhàn)略，建立和完善我國自主培養(yǎng)拔尖人才的培養(yǎng)體系。2018年，教育部發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，強調(diào)高校要以高水平科學(xué)研究支撐本科人才培養(yǎng)，要將最新的科研成果及時轉(zhuǎn)化為教育教學(xué)內(nèi)容(http://www.moe.gov.cn/ srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html)。因此科教融合是高校培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的有效途徑。

表觀遺傳學(xué)是對經(jīng)典遺傳學(xué)的拓展，解析了遺傳學(xué)上提到的環(huán)境如何導(dǎo)致可遺傳的基因表達變化，并最終產(chǎn)生可遺傳新表型的問題。本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)，水稻()中主要負(fù)責(zé)維持CG甲基化的酶基因的純合突變可引起全基因組范圍內(nèi)不同位點發(fā)生DNA甲基化變異和轉(zhuǎn)座子活性的改變，并且在水稻的不同器官(葉片和愈傷)中表現(xiàn)出變異模式和程度的差異[1,2]，該成果完善了植物中基因功能的理論，證明了DNA甲基化在調(diào)控植物正常生長發(fā)育中的重要作用。

東北師范大學(xué)生物科學(xué)專業(yè)是教育部“拔尖計劃2.0”人才培養(yǎng)基地，《表觀遺傳學(xué)》理論課程是“拔尖計劃2.0”學(xué)生培養(yǎng)必修課程。針對本校人才培養(yǎng)中表觀遺傳學(xué)實驗內(nèi)容的缺失，依托“分子表觀遺傳學(xué)教育部重點實驗室”，2018年我們將上述本實驗室的科研成果轉(zhuǎn)化為實驗課程資源，構(gòu)建了一門綜合表觀遺傳學(xué)最新研究領(lǐng)域和前沿技術(shù)的獨立的“表觀遺傳學(xué)綜合實驗課程”。該課程是“拔尖計劃2.0”學(xué)生必修課程，學(xué)生在預(yù)修了遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)、遺傳學(xué)基礎(chǔ)實驗以及分子生物學(xué)基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，在第5學(xué)期進行修讀，課程共計36學(xué)時，每年學(xué)生人數(shù)40人左右，分兩個班級進行平行授課。課程采用理論和實踐相結(jié)合的方式進行，主要探究基因突變對水稻特定序列DNA甲基化和轉(zhuǎn)座子活性的影響。通過本課程的實踐，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主分析和解決科研中存在問題的創(chuàng)新能力；培養(yǎng)學(xué)生通過閱讀、研究、觀察和實踐手段獲取知識的自主學(xué)習(xí)能力以及通過團隊協(xié)作學(xué)習(xí)知識和技能的交流合作能力。目前本課程已經(jīng)過6輪教學(xué)實踐檢驗和持續(xù)改進，顯著提高了學(xué)生的科研能力，全面提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 表觀遺傳學(xué)實驗引入本科生課堂的重要意義

表觀遺傳學(xué)是指不需要DNA序列變異而發(fā)生的可遺傳的基因表達改變[3]。表觀遺傳機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及非編碼RNA豐度變化等[4～6]。研究表明，表觀遺傳變異在生物進化、作物改良和人類健康中都具有重要作用[7～9]。

目前，全國各高校無論是基礎(chǔ)實驗還是綜合實驗大都針對經(jīng)典遺傳學(xué)設(shè)計而開展，缺少表觀遺傳學(xué)實驗內(nèi)容。本校的遺傳學(xué)綜合實驗，也存在上述問題，并且綜合實驗內(nèi)容與基礎(chǔ)實驗內(nèi)容重疊較多，研究性內(nèi)容不足，實驗內(nèi)容多為“驗證實驗現(xiàn)象、培養(yǎng)動手能力”的課程，教學(xué)內(nèi)容上缺少設(shè)計性和創(chuàng)新性，與本學(xué)科的科研成果融合明顯不足，缺少對學(xué)生整體科研思維的培養(yǎng)。教學(xué)模式上也與基礎(chǔ)實驗差別不大，仍然主要以“教師教為中心”，學(xué)生根據(jù)教師的講解或示范進行操作，缺少對學(xué)生主動思考和探索能力的培養(yǎng)?？己朔绞饺匀惠^單一，過程性評價不足，多采取實驗報告或總結(jié)論文的考核方式，對創(chuàng)新能力的綜合考評不夠，導(dǎo)致現(xiàn)有遺傳學(xué)綜合實驗的教學(xué)內(nèi)容和模式對學(xué)生科研能力培養(yǎng)的支撐度顯著不足，不能契合拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)?！侗碛^遺傳學(xué)》是本校生物科學(xué)專業(yè)“拔尖計劃2.0”學(xué)生的必修課程，多年理論教學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺少理論知識的實踐轉(zhuǎn)化，表觀遺傳學(xué)實驗內(nèi)容在教學(xué)體系中完全缺失。因此在本科生培養(yǎng)方案中引入表觀遺傳學(xué)綜合實驗對于完善生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生的實驗體系，培養(yǎng)具有原始創(chuàng)新能力的拔尖人才具有重要意義。

2 從科研成果中挖掘適用于實驗教學(xué)的題材

DNA甲基化是一種極其重要且相對穩(wěn)定并可遺傳的表觀遺傳修飾，其變化會影響基因表達和基因組穩(wěn)定性[10,11]。生物固有的DNA甲基化水平和模式改變會導(dǎo)致生物表型異常甚至死亡，但一定范圍內(nèi)的甲基化變異又為適應(yīng)和物種進化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[12]。在植物中，DNA甲基化可發(fā)生在CG、CHG和CHH位點(H代表A/T/C三種堿基中的任意一種)[13～16]，其中CG位點的甲基化是最普遍發(fā)生的形式[13]。植物中CG甲基化主要由MET1 (methyltransferase 1)負(fù)責(zé)維持。在擬南芥()中，純合突變顯著降低了全基因組范圍內(nèi)CG甲基化的水平(從24.6%下降到0.42%)，植株發(fā)育明顯異常[17～19]。擬南芥是雙子葉模式植物的代表，然而許多重要作物如小麥()、玉米()和水稻都屬于單子葉植物，因此本實驗室前期研究提出一個重要科學(xué)問題：基因在單、雙子葉之間的功能是否保守？

水稻是單子葉模式植物的代表。水稻中是維持CG甲基化的主要功能基因[20～22]。本實驗室前期對基因的純合和雜合突變體的幼苗、長期培養(yǎng)的愈傷組織進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)純合突變顯著降低基因組范圍內(nèi)CG甲基化水平(從39.88%下降到9.69%)，說明基因在單、雙子葉之間具有功能保守性。但是水稻純合突變體幼苗僅能在培養(yǎng)基條件下存活14天，長至3 cm左右后即死亡[1]，而擬南芥純合突變體能完成整個發(fā)育過程[19,23,24]。此外，在正常培養(yǎng)條件下，擬南芥雜合突變體后代表現(xiàn)出明顯的表型分歧[23]，而水稻雜合突變體的表型和野生型沒有明顯差別[1]，這表明基因在單、雙子葉之間具有明顯的功能差異。

在植物中，DNA甲基化與轉(zhuǎn)座子穩(wěn)定性密切相關(guān)。本實驗室對連續(xù)3年繼代培養(yǎng)的純合突變體、雜合突變體和野生型愈傷組織進行了研究，發(fā)現(xiàn)在純合突變體的愈傷組織中發(fā)生了大規(guī)模的轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座爆發(fā)[2]，說明CG甲基化在維持轉(zhuǎn)座子的穩(wěn)定性和基因組穩(wěn)定性方面具有重要作用[1,2]。上述研究成果完善了植物中基因的功能，證明了DNA甲基化在調(diào)控植物正常生長發(fā)育中的重要作用。

本課程以上述研究為基石，教師以理論課上提出的科學(xué)問題“基因在單、雙子葉之間的功能是否相同？”為核心，對其進行表觀遺傳學(xué)綜合實驗的轉(zhuǎn)化，該研究成果聚焦表觀遺傳學(xué)的理論和應(yīng)用前沿，將理論和實踐相結(jié)合，科研和教學(xué)相融匯，契合本校生物學(xué)一級學(xué)科拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 科研成果向創(chuàng)新實驗轉(zhuǎn)化的具體實踐

科研成果在具體轉(zhuǎn)化時不能將整個研究成果作為實驗內(nèi)容，在可行性上，要考慮本科生的實驗周期和實施成本；在內(nèi)容設(shè)計上，要具有系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和高階性，能夠真正體現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科研探索精神；在實施過程中，要注意培養(yǎng)學(xué)生獨立、完整的科研思維；在轉(zhuǎn)化過程中，教師的每一步設(shè)計都要體現(xiàn)對學(xué)生科研能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、主動探索。課程設(shè)計的整體思路突出學(xué)生的主導(dǎo)地位，學(xué)生自己負(fù)責(zé)分析和解決問題，教師發(fā)揮引導(dǎo)和答疑解惑的作用。課程內(nèi)容及具體學(xué)時安排見表1。

3.1 科學(xué)問題的提出

教師課前講解實驗課程相關(guān)理論知識，即植物中DNA甲基化的建立、維持及其生物學(xué)功能，重點關(guān)注DNA甲基化在維持基因組穩(wěn)定性方面的作用。以雙子葉模式植物擬南芥為例，介紹基因的作用及其突變后對擬南芥基因組DNA甲基化和表型的影響，接下來引導(dǎo)學(xué)生思考，提出科學(xué)問題：單、雙子葉植物中的功能是否相同？根據(jù)擬南芥相關(guān)研究，提出以下問題：(1)水稻中拷貝有幾個？(2)基因突變對水稻基因組穩(wěn)定性、DNA甲基化以及表型有何影響？本實驗室前期研究是基于組學(xué)分析，這種大尺度的分析并不適用于本科實驗，因此在實驗設(shè)計時，教師引導(dǎo)學(xué)生將科學(xué)問題具體化，即“基因突變對水稻特定序列DNA甲基化和轉(zhuǎn)座子活性的影響”。

表1 課程安排

3.2 實驗材料

在組織培養(yǎng)條件下，水稻粳稻日本晴(L. ssp., cv. Nipponbare)基因組中反轉(zhuǎn)座子被激活，插入到基因，再生獲得基因雜合突變體，本實驗室所用雜合突變體水稻材料最初來源于日本生物科學(xué)研究所，雜合突變體自交后可獲得純合突變體()、雜合突變體()和野生型()。本實驗以雜合突變體自交5～9代(2018年～2022年)獲得的純合突變體()、雜合突變體()和野生型()幼苗，以及由以上3種基因型種子誘導(dǎo)繼代培養(yǎng)3～7年(2018年～2022年)的愈傷組織為實驗材料。學(xué)生根據(jù)所要解決的科學(xué)問題選擇實驗材料，如科學(xué)問題為“純合突變對水稻愈傷組織中特定轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座活性和DNA甲基化的影響”，學(xué)生可以選擇該基因的野生型以及純合突變體的愈傷組織作為實驗材料進行研究。

3.3 實驗方法

3.3.1 水稻基因組DNA提取及濃度檢測

學(xué)生每4人為一組，組內(nèi)再分為兩個小組，進行實驗中的生物學(xué)重復(fù)和技術(shù)重復(fù)。教師為學(xué)生提供實驗材料，學(xué)生可采用改良的CTAB法[25]或植物基因組DNA提取試劑盒(天根生化科技北京有限公司，DP305)進行水稻幼苗和/或愈傷組織基因組DNA的提取，并利用Nanodrop微量分光光度計和/或瓊脂糖凝膠電泳對DNA的質(zhì)量和濃度進行檢測。該部分從技能層面使學(xué)生掌握植物基因組DNA提取方法和DNA質(zhì)量評估方法；從思維角度培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用多種實驗方法對結(jié)果進行相互驗證的科研思維。

3.3.2 實驗材料基因型鑒定

學(xué)生利用水稻插入突變體數(shù)據(jù)庫(RiceInsertion Mutant Database)查找插入基因的具體位點、插入方向以及插入位點上下游的序列信息，利用primer5軟件設(shè)計引物，以3.3.1所提取的基因組DNA為模板，通過PCR擴增和瓊脂糖凝膠電泳，確定材料基因型。該部分從技能層面讓學(xué)生學(xué)會應(yīng)用水稻突變體數(shù)據(jù)庫和引物設(shè)計軟件，明確PCR引物設(shè)計的基本原則以及PCR反應(yīng)的原理；從思維角度使學(xué)生明確科研中實驗材料準(zhǔn)確的重要性。

3.3.3 轉(zhuǎn)座子激活檢測

學(xué)生根據(jù)教師講解的轉(zhuǎn)座子激活相關(guān)知識，查閱文獻，利用公開數(shù)據(jù)庫或?qū)嶒炇乙延械幕蚪M重測序數(shù)據(jù)，在水稻全基因組范圍內(nèi)選擇感興趣的轉(zhuǎn)座子，通過設(shè)計引物、位點特異的PCR擴增以及瓊脂糖凝膠電泳，檢測基因突變對水稻特定轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座活性的影響。重測序數(shù)據(jù)和分析方法參考實驗室前期科研成果[2]。該部分從技能層面使學(xué)生掌握基因組重測序的原理和基因組內(nèi)轉(zhuǎn)座子多態(tài)性分析的原理；從思維角度培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)不同實驗?zāi)康倪x擇適合實驗方案的科研思維。

3.3.4 DNA甲基化檢測和變異分析

學(xué)生利用特定位點亞硫酸鹽測序法檢測特定序列DNA甲基化情況。具體實驗過程包括：亞硫酸鹽測序引物的設(shè)計；亞硫酸鹽處理基因組DNA；PCR擴增目的產(chǎn)物的回收、與T載體連接、轉(zhuǎn)化；陽性克隆篩選、測序以及測序數(shù)據(jù)分析。實驗方法參照用于本課程轉(zhuǎn)化的科研成果[1]。該部分從技能角度培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作設(shè)計DNA甲基化檢測實驗方案的能力；從思維角度培養(yǎng)學(xué)生將大尺度(基因組范圍)和小尺度(特點位點)結(jié)合起來綜合分析問題的科研思維。

3.4 代表性實驗結(jié)果

3.4.1 水稻幼苗和愈傷組織基因組DNA的提取及濃度檢測

圖1A展示了某小組利用不同方法提取的野生型(+/+)和純合突變體(–/–)愈傷組織和幼苗的基因組DNA，并用Nanodrop微量分光光度計檢測DNA的質(zhì)量和濃度，發(fā)現(xiàn)從愈傷組織中所提取的DNA濃度明顯低于幼苗中，并且試劑盒法提取的DNA的濃度要高于改良的CTAB法，但兩種方法所提取的DNA純度(260/280)無差異(圖1A)。將圖1A中的DNA稀釋10倍后利用瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，以λDNA(濃度為10 ng/μL)作為檢測DNA完整性和估測濃度的標(biāo)準(zhǔn)，通過亮度估測濃度發(fā)現(xiàn)與Nanodrop所測濃度基本一致，可進一步確定所提取的基因組DNA的濃度(圖1B)。

圖1 DNA質(zhì)量和濃度的檢測

A：Nanodrop微量分光光度計檢測水稻基因組DNA；B：瓊脂糖凝膠電泳檢測水稻基因組DNA(稀釋10倍)。λDNA濃度為10 ng/μL，+/+代表野生型，–/–代表純合突變體。

3.4.2 PCR擴增鑒定實驗材料基因型。

根據(jù)水稻插入突變體數(shù)據(jù)庫提供的信息，反向插入到基因的第6個外顯子(圖2A)。PCR引物設(shè)計時需要兩對引物組合使用(圖2A)，引物對A位于插入位點兩端(primer1和primer2)，引物對B的一側(cè)位于插入位點上游(primer1)，另一側(cè)位于的3′端(primer3)，該設(shè)計巧妙的共用一個引物primer1，與primer2組成了引物對A，與primer3組成了引物對B，由于本身長度為4.3 kb，通過控制PCR反應(yīng)程序中的延伸時間為1分鐘(1分鐘大約可擴增1 kb的序列長度)，即可根據(jù)兩對引物擴增條帶的有無來判斷材料的基因型。利用圖2B中的引物序列進行擴增，如僅在引物對A擴增出目的條帶(500 bp)，則基因型為野生型(+/+)；僅在引物對B中擴增出目的條帶(500 bp)，則基因型為純合突變體(–/–)；如在引物對A和B中均能擴增出目的條帶(500 bp)，則該基因型為雜合突變體(+/–)(圖2C)。

圖2 實驗材料基因型鑒定

A：反向插入到的第六個外顯子及引物設(shè)計的位置；B：用于鑒定基因型所用的引物信息；C：引物對A和B在不同基因型中擴增出的目的條帶。+/+代表野生型，+/–代表雜合突變體，–/–代表純合突變體。M：100 bp DNA Ladder。

3.4.3 轉(zhuǎn)座子激活及其上游序列DNA甲基化變異檢測

本部分重點突出學(xué)生自主探究，學(xué)生可在水稻全基因組范圍內(nèi)選擇感興趣的轉(zhuǎn)座子進行研究，通過PCR擴增和瓊脂糖凝膠電泳檢測轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座激活情況。如某小組選擇進行研究，屬于MITEs類轉(zhuǎn)座子，全長430 bp，的序列具有高度保守性，在粳稻中約有50個拷貝，與水稻基因組進化相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)能在特定環(huán)境條件誘導(dǎo)下激活[26～28]。通過與野生型(+/+)愈傷組織相比，在純合突變(–/–)的2個單獨繼代培養(yǎng)的愈傷組織中均檢測到的純合跳出(圖3A)，在–/–的2號愈傷組織中檢測到的純合插入(圖3B)。

圖3 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座活性檢測和DNA甲基化分析

A：在愈傷組織中與野生型(+/+)相比，純合突變體(–/–)發(fā)生了的跳出；B：在愈傷組織中與野生型(+/+)相比，純合突變體(–/–)發(fā)生了的插入；C：插入位點及上游序列信息；D：亞硫酸鹽測序分析野生型(+/+)與純合突變體(–/–)中DNA甲基化情況。M：100 bp DNA Ladder。

在距離插入位點上游833～380 bp (目的序列長度453 bp)處設(shè)計引物(圖3C)，檢測插入與其上游序列DNA甲基化的相關(guān)性，在453 bp的序列中，包括5個CG位點，將–/–和+/+進行對比，發(fā)現(xiàn)在–/–中CG甲基化顯著降低(圖3D)，而CHG和CHH甲基化無明顯變化。說明的插入可能與其上游序列CG甲基化降低相關(guān)。

3.5 多元的成績評價方式

本課程采取過程性的多元化評價體系，包括撰寫與本課程相關(guān)的研究綜述、以小組為單位的研究設(shè)計及匯報、學(xué)生個人實驗操作的規(guī)范性評價、實驗記錄和研究論文。每項評定方式滿分均為100，各項評價方式對學(xué)生的具體要求、考核目的、評價標(biāo)準(zhǔn)以及所占比例見表2。

表2 課程評價方式

4 課程實踐中的教學(xué)反饋和反思

為更好地了解科研轉(zhuǎn)化實驗的教學(xué)效果，自2020年春季起，通過問卷方式對修完本課程的學(xué)生進行調(diào)查，問卷通過問卷星APP進行發(fā)布，包括四輪教學(xué)實踐(2020春、2021春、2022春和2022秋)。問卷共計19道題，其中1～15為主觀題，重點關(guān)注學(xué)生對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的設(shè)置、考核方式的合理性、自身科研思維和科研能力提高等的滿意度，每道題設(shè)置5個選項，分別為“非常不同意”、“不同意”、“一般”、“同意”和“非常同意”，以選擇后兩項即“同意”和“非常同意”學(xué)生比例的和作為學(xué)生滿意度指標(biāo)；16和17題為分類選擇題，關(guān)注學(xué)生在實驗課后的自我反思和反饋；18和19題為開放性問題，關(guān)注學(xué)生對課程的建議，為課程后續(xù)改進提供依據(jù)。

4.1 學(xué)生對課程的滿意度

通過主觀題的設(shè)置調(diào)查學(xué)生對該課程的滿意度，從表3中可以看出本實驗內(nèi)容的設(shè)置突出了研究型教學(xué)內(nèi)容(問題1)，課程的教學(xué)內(nèi)容和模式(問題2、3)充分調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動思考和解決問題的能力(問題4、7)，在實驗中學(xué)生能夠明確實驗中需要注意的關(guān)鍵點(問題5)，整個實驗課程的設(shè)置以學(xué)生為主導(dǎo)(問題6)，學(xué)生通過小組協(xié)作(問題4、5、14)完成實驗，考核方式的多元化設(shè)置(問題8、9)有助于學(xué)生更加注重實驗過程中的嚴(yán)謹(jǐn)性，學(xué)生高度認(rèn)可這種學(xué)習(xí)方式(問題10)，認(rèn)為能夠有效培養(yǎng)他們的科研思維和創(chuàng)新能力(問題11)，并且學(xué)生認(rèn)同高階挑戰(zhàn)性的課程能夠激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣(問題12)，學(xué)到更多的知識(問題13)。以上結(jié)論來自于前14個問題的滿意度，表3中除個別學(xué)期個別問題的滿意度在85%左右外，其余滿意度都在90%以上，甚至有的達到100%，這說明總體上學(xué)生高度認(rèn)可這種教學(xué)模式。值得注意的是，學(xué)生對問題15的滿意度明顯偏低，這說明高階挑戰(zhàn)性的研究型實驗內(nèi)容的設(shè)置增加了學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)，這也從側(cè)面反應(yīng)了綜合性創(chuàng)新實驗的一個特點，學(xué)生需要花費更多的精力和時間去完成這門課，但同時也讓學(xué)生領(lǐng)悟了科研中所需要的努力、付出和堅持。

表3 學(xué)生滿意度調(diào)查

4.2 學(xué)生的自我反思

課程完成后，學(xué)生通過自我反思(圖4A，問題16：在本實驗課中，您認(rèn)為影響自己學(xué)習(xí)效果的因素是什么？)，認(rèn)為自身對實驗中生物學(xué)問題理解的不夠深入對學(xué)習(xí)效果的影響最大，其次是自主閱讀文獻能力不足，而對教師的依賴性過大及實驗操作能力對學(xué)習(xí)效果的影響則相對較小，這也正是綜合性探究實驗與以往基礎(chǔ)驗證性實驗最大的區(qū)別，學(xué)生作為課程的主導(dǎo)，要具有主動探究和主動思考的能力，通過本實驗課的實踐讓學(xué)生認(rèn)識到目前自身存在的不足，有助于其在今后學(xué)習(xí)中的改進和提高。同時，教師根據(jù)學(xué)生反饋，在2022年春季加強了課程相關(guān)理論內(nèi)容的講解，在一定程度上提高了學(xué)生對生物學(xué)問題的理解能力。但也注意到此項依然是學(xué)生存在的主要問題，在今后的授課中教師將在理論課中增加答疑討論環(huán)節(jié)，并在表觀遺傳學(xué)理論課中對涉及實驗課內(nèi)容的部分以科研案例的形式進行詳細(xì)講解，來幫助學(xué)生更好地理解實驗中的科學(xué)問題。

通過本實驗課的訓(xùn)練(圖4B，問題17：課程結(jié)束后，您覺得哪一項能力提高的最多？)，學(xué)生認(rèn)為其科研能力、問題解決能力和合作能力提高的最多。從圖中可以看出在所調(diào)查的4個學(xué)期中此3項始終位列前三，學(xué)生的批判思維和創(chuàng)新能力也有所提高，但其選擇比例較低的原因可能與本題設(shè)置有關(guān)，此題設(shè)置為單選題，學(xué)生只能從中選擇一項，而實際上科研能力和問題解決能力的提高就包含批判性思維和創(chuàng)新能力的提高，因此通過學(xué)生的反饋，可以看出本課程達到了提高學(xué)生科研能力的目的。

4.3 學(xué)生對課程的建議

開放性問題18和19由學(xué)生自由回答，重點關(guān)注學(xué)生對課程的建議。對于問題18：本實驗課的教學(xué)模式你喜歡哪部分？學(xué)生普遍反饋喜歡在教師提供一定的引導(dǎo)和啟發(fā)下，讓他們以小組合作方式進行自主探索和自主設(shè)計的教學(xué)模式。對于問題19：您希望以后的課程在哪些方面得到改善？在2020年和2021年春季的調(diào)查中，學(xué)生反饋教師理論課講解時間偏少，建議增加理論課學(xué)時，因此在2022年春季和秋季的實驗課中，理論課由之前的2學(xué)時調(diào)整為4學(xué)時。此外在2022年秋季的調(diào)查中，學(xué)生反饋希望教師增加對實驗數(shù)據(jù)處理部分的指導(dǎo)，并增加小組間的討論環(huán)節(jié)。對于此反饋，教師擬在下一輪的教學(xué)實踐中，增加實驗后的成果匯報部分，師生共同對實驗結(jié)果進行分析和討論，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

圖4 學(xué)生的自我反思

A：問題16：在本實驗課中，您認(rèn)為影響自己學(xué)習(xí)效果的因素是什么？B：問題17：課程結(jié)束后，您覺得哪一項能力提高的最多？

4.4 教師的實踐反思

通過連續(xù)4年的調(diào)查反饋，教師及時掌握了學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題和學(xué)習(xí)需求，及時調(diào)整授課模式，靈活調(diào)整課堂內(nèi)容，提高了實驗課的教學(xué)質(zhì)量。除以上學(xué)生反饋的建議外，教師在多輪授課中也發(fā)現(xiàn)本課程存在可以進一步改進的部分，即如何建立轉(zhuǎn)座子活性與其自身或臨近區(qū)域DNA甲基化關(guān)系，要求學(xué)生自主選擇轉(zhuǎn)座子進行轉(zhuǎn)座活性與DNA甲基化相關(guān)性的研究。本部分的開放性和發(fā)散性極高，學(xué)生可以在水稻全基因組范圍選擇轉(zhuǎn)座子，這就存在著選擇的轉(zhuǎn)座子的差異，轉(zhuǎn)座子是否發(fā)生轉(zhuǎn)座激活的差異，轉(zhuǎn)座子自身甲基化狀態(tài)的差異、轉(zhuǎn)座子原位點是否存在DNA甲基化、轉(zhuǎn)座子激活位點的臨近序列的甲基化狀態(tài)的差異等，每組學(xué)生的選擇不同，結(jié)果就不同。若學(xué)生選擇用于分析的片段本身不存在DNA甲基化，則無法建立甲基化狀態(tài)和轉(zhuǎn)座子活性的關(guān)系。為了提高本部分的實驗成功率，教師要求學(xué)生在具體實驗方案確定時對選擇的轉(zhuǎn)座子進行詳細(xì)介紹，并且要對進行DNA甲基化分析區(qū)段的甲基化情況狀態(tài)進行確定，可利用實驗室發(fā)表文獻中的甲基化組數(shù)據(jù)進行查詢[1,2]，這在一定程度上提高了本部分實驗的成功率。

除此之外，本課程也有一些新發(fā)現(xiàn)，如在檢測轉(zhuǎn)座子激活的實驗中，學(xué)生在–/–中發(fā)現(xiàn)了新的跳出位點，經(jīng)過材料基因型的確認(rèn)以及3次重復(fù)，證實該結(jié)果是可信的。此時學(xué)生提出問題：為什么相同基因型的愈傷組織中的活性不同？其他位點的活性是否也發(fā)生了改變？其他轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座活性是否也有不同？造成這些差異的原因是什么？針對學(xué)生的疑問，教師引導(dǎo)學(xué)生進一步思考：“愈傷組織在連續(xù)多代的培養(yǎng)中，其基因組、DNA甲基化組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等會發(fā)生怎樣的變化？這些變化與其再生能力是否相關(guān)？”學(xué)生可以在課程結(jié)束后自主查閱文獻，甚至可以進行相應(yīng)的實驗設(shè)計來進行進一步的探究。由此本課程通過一個綜合性實驗的探索引發(fā)了學(xué)生更深、更廣的思考，不斷開拓學(xué)生的科研思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語

前沿科研成果向一線教學(xué)轉(zhuǎn)化時，要考慮育人目標(biāo)以及學(xué)?？蓪崿F(xiàn)的軟、硬件設(shè)施，實驗周期和實驗成本等。本文通過具體的科研轉(zhuǎn)化，將表觀遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的熱點研究問題和實驗技術(shù)轉(zhuǎn)化為綜合型創(chuàng)新實驗課程，在完善專業(yè)教學(xué)體系基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了課程的高階性，具有一定的挑戰(zhàn)度。該課程將表觀遺傳修飾上游關(guān)鍵酶基因突變與轉(zhuǎn)座子活性和特定序列的DNA甲基化狀態(tài)關(guān)聯(lián)，學(xué)生在基因組范圍內(nèi)自主選擇感興趣的轉(zhuǎn)座子進行探究，能夠更好幫助學(xué)生理解表觀遺傳修飾在維持基因組穩(wěn)定性中的重要作用。本實驗與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的表觀遺傳實驗顯著不同，后者重點關(guān)注一個基因自身DNA甲基化修飾變異引起的基因表達改變和表型變異[29]。本課程在具體實施中要充分考慮本科生的知識水平和科研能力，進行有的放矢的引導(dǎo)，讓學(xué)生作為科研的主角，課程的重點不在于學(xué)生是否能夠得到預(yù)期實驗結(jié)果，更注重的是讓學(xué)生學(xué)會進行科學(xué)研究，提高學(xué)生獨立探索、獨立思考和獨立解決問題的科研能力，這才是通過實驗教學(xué)培養(yǎng)拔尖人才的重要舉措。

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Epigenetics comprehensive experimental course based on the integration of science and education to cultivate students' ability of cutting-edge innovation

Xiufang Ou, Ying Wu, Ning Li, Lili Jiang, Bao Liu, Lei Gong

The integration of science and education is an effective way for universities to cultivate students in cutting-edge innovative interests. Epigenetics is the expansion of classical genetics, the corresponding experimental courses of which have not been integrated into the current teaching system. In this paper, by taking advantage of our laboratory's research on the DNA methylation maintenance gene,in rice, we have integrated our innovative findings in the education curriculum, and built a comprehensive teaching system on experimentation research, which greatly stimulates the curiosity of the students. Taking themutants and its isogenic wild-type rice plants as experimental materials, this course has successfully demonstrated a causal link between genetic mutation and epigenetic variation, a topic widely interested by the students in learning genetics and epigenetics. Through the practice of this course, students have a deeper understanding of the important role of epigenetic modifications, their scientific research capabilities have been greatly improved, thereby strongly supporting the cultivation of top innovative talents among the students.

integration of science and education; epigenetics comprehensive experiment; experimental education

2023-07-03;

2023-11-15;

2023-11-16

吉林省高等教育教改研究課題立項(編號：JLO4169120190727102937，JLJY202393805644，JG2020008)資助[Supported by the Higher Education Teaching Reform Research Topic of Jilin Province (Nos. JLO4169120190727102937, JLJY202393805644, JG2020008)]

歐秀芳，博士，副教授，研究方向：表觀遺傳學(xué)。E-mail: ouxf074@nenu.edu.cn

宮磊，博士，教授，研究方向：進化生物學(xué)。E-mail: gongl100@nenu.edu.cn

10.16288/j.yczz.23-179

(責(zé)任編委: 陳德富)