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迄今为止,有关于神经性疼痛模型的表观遗传学研究数量并不是很多。从以往的研究报道来看,DNA甲基化、组蛋白乙酰化和非编码RNA的调控模式在神经性疼痛的发生、发展及其维持的各个环节都有发生非常明显的改变并发挥着极其重要的作用。在未来的研究中,我们将进一步的探索表观遗传学参与神经性疼痛的调控的分子机制,研究相关的修饰程序是如何带来了持久而长期的痛觉异常和痛觉过敏的,并为以后进一步的深入研究神经慢性病理性疼痛是如何发生、发展与维持打下基础,并为其后续的控制、治疗提供新的作用靶点。
*通讯作者:陈恒玲
参考文献
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关键词: 遗传学 教学模式 课堂提问 实验观念
遗传学是农学、林学、医学、生物学和生物技术等学科领域的一门极其重要的专业基础课程,也是现代生命科学发展迅速的学科之一。自1900年建立至今,遗传学的发展日新月异。特别是1953年DNA双螺旋结构的发现后,遗传学全面进入分子水平,各种新技术、新概念更是层出不穷。另外,遗传学是覆盖面最广的学科之一,研究内容包括分子、细胞、个体、种群和群落等层次的遗传现象。因此,要用有限的课堂教学讲解遗传学全部内容是不可能的。这客观上要求遗传学教学从以传授知识为主转变为以培养学习能力、促进思维发展、建立遗传学观念为主。因此,探索一种适应该学科特点的教学方法显得尤其重要。
一、多元化的教学模式
一直以来,遗传学教学主要采用课堂放映课件及教师讲授的传统教学模式。这种模式下的教学已出现如下问题:(1)课件放映节奏快,学生的思路跟不上老师讲课的节奏,使一部分学生尤其是基础不好的学生产生挫败感,从而放弃听课。(2)放映事先设计好的课件易使教师授课进程程式化,课堂中师生无法有效地互动,也影响学生听课的积极性。(3)学生容易精神疲惫,注意力集中时间短。
为了解决上述问题,在实际教学中,首先要制作一些精美的幻灯片。幻灯片的内容、版式、配色、动作设计都要尽量做到全面。在一张片子上内容不能太多,打出来的内容要能与教师的讲义、课本内容互补,并且尽量采用图片、动画、小视频等形象化、直观化的题材反映讲授内容,给学生一个直观、全面的视觉效果,让学生在兴趣中掌握教学的基本点。其次,要尽量采用现有的各种教学条件。教学内容不能完全依赖于幻灯片,多采用板书、投影、实物等教学手段,不断变化的教学手段也能很好地刺激学生的兴奋点,激发学生的学习兴趣。
二、恰当的课堂提问
课堂提问是所有学科教学中随时随地可用的一种教学方法,这一点在遗传学教学中尤其重要。一个巧妙的课堂提问,不仅可以抓住学生的思维,了解学生对知识点的理解,而且可以检查教学效果如何,是否达到了教学目标。但如何才算是恰当的提问呢?我认为要做到3个恰当:(1)时机要恰当。要根据学生已掌握的知识点,在前面章节学习的基础,利用前面的知识点设计合理的问题,导出后面的知识点。这些知识点之间要环环相扣,能自然地过渡到后面的内容。(2)难度要恰当。设计的问题所涉及的知识点难度不能过大,否则大部分学生不能回答,会使学生失去学习兴趣;问题过于简单化,则流于形式,失去提问的意义。如学习减数分裂的过程时,我会问:“什么是染色体?什么是染色单体?”为后面的学习做铺垫。学习完新知识后,我会问:“在减数分裂过程中,染色体出现哪些变化?同源染色体、四分体、染色单体间的相互关系如何?染色体数目的减半发生在哪个时期?是什么原因形成的?”这些问题有一定难度,学生必须全面理解减数分裂过程,掌握相关的基本概念才能正确回答。(3)方式要恰当。课堂提问可采取灵活多样的方式。对于复习性的、答案明确的问题,可对全班学生提问,要求班集体回答。还有些问题提出后,并不要求学生回答。学生稍加思考后,由教师自问自答或者找学习较好的同学进行讨论性回答。答案并不是最重要的,重要的是在这一问一答中学生能解决问题、提高学习兴趣。
三、树立贯穿始终的实验观念
遗传学是一门以实验为基础的科学。很多的理论和假说都是通过实验得出的,因而遗传学教学离需要有贯穿始终的实验观念。这种实验观念的渗透不是简单地增开几节实验就能做到。在实际教学中,教师在讲述基本规律和基本理论的同时要注重实验过程的描述,让学生认识遗传学不只是几条干巴巴的原理和规律,而是由那些构思精巧而结果影响深远的实验推动发展的,是一门非常有意思的学科,从而激发学习兴趣。在对经典实验的讲解中,实验背景、实验过程都是不容忽视的环节,实验结果倒是可以简单地用几条定律和原理带过。通过对这些实验背景、实验过程的描述,能让学生跟踪前人思考的过程,掌握遗传分析的方法,培养学生利用现有知识分析生活中遇到的遗传学问题、设计合理的方案解决问题的能力,同时也有助于学生建立良好的遗传观念。如讲述遗传物质是DNA的直接实验证据时,需要介绍Griffith的肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的小鼠转化试验、Avery—MacLeod—McCarty的R型细胞向S型细胞转化试验。在讲解这些实验时,我会给学生介绍当时的历史背景、学术环境;与学生一起分析在当时的条件下,这些科学家如何思考、如何萌发这些实验设想;在设计这一实验时,为什么要选择这种方法等一系列的问题。
参考文献:
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[2]石丽娟.“DNA是主要的遗传物质”一课的教学设计.生物学通报,2002,37,(8):31.
[3]吴继卫.遗传教学中的课堂提问.中国优生与遗传杂志,1999,7,(2):84.
[4]蔡明夷,王志勇,刘贤德.建构主义教学方法在遗传育种教学中的应用.集美大学学报,2007,8,(1):83—85.
摘要:
灯刷染色体是存在于除哺乳动物以外几乎所有动物雌配子减数分裂第一次分裂双线期的一种暂时性巨大转录体,因状如灯刷而得名,但在细胞遗传学三大经典染色体研究中关注度最低。它是研究减数分裂时期染色体的结构、组织形式、转录和转录过程的好材料。本文一方面对以上研究及形成机制作一简要综述,另一方面探讨灯刷染色体可能的作用,也即从已有文献表明卵细胞核的灯刷染色体或多倍化为相关生物胚胎发育提供足够的转录产物。最后探讨将其作为一个案例用于遗传学教学的可能性,以激发学生学习遗传学的兴趣。
关键词:
遗传学;细胞遗传学;灯刷染色体;研究进展;遗传学教学
遗传学是生命科学领域中一门兼具理论性和实验性的基础性学科之一,从遗传学发展史上可以清楚地看到一系列经典的研究案例对遗传学的发展起到巨大的推动作用[1],赋予遗传学新的内容,使遗传学理论不断地完善和提高,从而在更高水平指导遗传学的发展。例如果蝇和豌豆因其丰富的表型在性状遗传研究上成为经典研究案例,奠定了遗传学的初创和发展;唾腺染色体和灯刷染色体因其形体的巨大性和特异的细胞结构,促进了细胞遗传学的发展;以噬菌体为材料促进了生化和分子遗传学的发展;以大肠杆菌为材料的研究揭示了原核表达调控的机制;以拟南芥和水稻为材料解析了植物基因组的特点并促进了植物功能基因组学的研究[2,3]。这些案例还有很多,限于篇幅不一一枚举。不过,关于遗传学发展史上经典案例的研究和关注并不平衡。例如在细胞遗传学三大经典染色体的研究中,关于唾腺染色体和巴氏小体的研究很多,而灯刷染色体(Lampbrushchromosomes,LBCs)的关注度较低。尽管LBCs因拥有数以万计的正在转录的单位而具有了结构的巨大性,但在过去的130多年中公开发表的文献仅有350多篇(projects.exeter.ac.uk/lampbrush)。究其原因可能有四点:一是分离LBCs技术难度较大;二是所使用的仪器是显微镜,而不是时髦的微量移液器,导致学生的兴趣不足;三是可用分离该染色体的典型材料不易取得,多数动物材料都是各国重点保护的动物;四是可能由于偏重理论研究,无法取得足够的经费支持[4]。尽管如此,LBCs的研究仍然取得了令人兴奋的成绩,本文拟沿着LBCs研究的踪迹,比较系统地综述相关生物卵细胞减数分裂第一次分裂双线期染色体的结构、组织形式以及转录等相关知识。最后探讨将这一被忽视的“明星染色体”案例介绍给学生,以期引导学生对LBCs研究的重视,激发他们学习和研究遗传学的热情。
1灯刷染色体的研究进展
1882年,Flemming首先在蝾螈(Notophthalmusviridescens)的卵母细胞中发现了这种结构[5],十年之后,Rückert(1892)在狗鲨(Chiloscylliumpunctatum)卵母细胞中再次发现了Flemming所描述的结构,因为其形如19世纪的灯刷或20世纪的试管刷而命名为灯刷染色体[6]。典型的LBCs实质上是存在于除哺乳动物以外几乎所有动物(在两栖类、鸟类和昆虫类都有很好的研究)雌配子减数分裂第一次分裂双线期的一种暂时性巨大转录体,大小可以达到5~6mm。细胞核中每个LBCs是二价体(一对同源染色体),核中有几个二价体就有几个LBCs,每个二价体包含四条染色单体,同源染色体通过交叉(Chiasmata)相连。它们具有独特的染色粒—侧环(Chromomere–lateralloop)结构:染色粒串联形成单体的主轴,是遗传惰性区;显著的侧环结构则为转录活性区,包括了成千上万的活性转录单元[7]。随着转录的进展,RNA链不断延长,外形呈“圣诞树”样结构。除了在以上动物的卵细胞中发现LBCs外,在果蝇细胞Y染色体和植物中也有发现,比如在单细胞藻类(Acetabularia)中发现有典型的LBCs结构[8],其它所报道的植物LBCs不具有典型结构,只是一条较长的染色体,周围有绒毛状的结构。由于LBCs在普通光学显微镜下可以看到,因而它是研究基因组结构和功能的极为理想的实验材料[9]。
1.1灯刷染色体的基本结构和细胞图在普通光学显微镜下,在外观上看每一个典型的LBCs两个同源染色体依靠几个交叉相连,它们分别由无数致密的染色质颗粒或染色粒串成线状,这些颗粒之间有染色质丝相连,在每一颗粒或染色粒处产生1到数个成对的侧环,这就构成了所谓LBCs上的“刷毛”[10]。这些环之所以成对出现是由于姐妹染色单体之间没有任何联系造成的。利用扫描电镜或电镜技术结合免疫技术对来自不同物种的LBCs进行观察,发现侧环是以纤细的染色质为轴,上面覆盖了无数的核糖白(Ribonucleoprotein,RNP)颗粒。由于RNP颗粒相互聚集和沿侧环轴向的卷曲会将正常状态的侧环一步一步装配形成小颗粒、颗粒球和紧密块状物等更高级的侧环结构[11],因而形成了光学显微镜下可见的巨大染色体。染色粒和连接它们的染色质丝构成了LBCs的轴,轴上最显著的特点就是染色粒–侧环结构,某些有明显特征的侧环往往成为鉴定染色体特异性的界标(Landmark),比如在两栖类中,几乎大部分灯刷染色体都有巨大的侧环,只是位置不同,所以可以区分不同的染色体;另一类是有特异结构的侧环,分为高密度侧环和块状侧环,也存在于很多染色体不同位置中。轴上除了染色粒和侧环外,还有着丝粒、端粒、球体等结构。这些结构常常出现在特定染色体的固定部位,成为鉴别各条染色体的界标[11]。染色粒(Chromomere)是LBCs轴的主要成分。在配对的同源染色体中,染色体轴上染色粒的数目和分布大体相同,但形状不很规则。在最初形成的LBCs上,单体灯刷染色体染色粒的数目可以达到5000个以上,在光镜下染色粒大小从不可见到可见的1µm。据估算,一个有尾目的两栖动物LBCs的染色粒所包含的碱基数目约5~10Mb,而侧环中仅有50~150kb的DNA[10]。染色粒的数目和大小与物种和减数分裂的推进有关,也随侧环转录活性而变化。随着减数分裂的推进,染色粒逐渐变大,数目减少。在早期的LBCs中侧环转录活性高,这时染色粒小,数目多;随着双线期的推进,侧环因转录活性下降而回缩,染色粒彼此融合最终成一条正常的分裂期染色体[12]。侧环(Lateralloop)是DNA活跃转录的区域,仅占整个LBCsDNA总量的0.2%~0.4%,其与染色粒的边界序列有无特异性现在尚不清楚[10]。在两栖类中,它们的长度与C值呈正相关,平均长度为10~15µm,长的可达200~300µm,这些长的侧环具有染色体的特异性。多数侧环上只有一个转录单位,转录方向可以相同或相反,利用转录抑制子的研究发现,这些转录多数由RNApolII启动。侧环的产生并不同步,某些侧环能贯穿LBCs整个发育期;有些仅在个别时期产生,失去转录活性后回缩到染色粒中。激素处理也能影响侧环的伸展和回缩,这点与果蝇的唾腺染色体的蓬突结构类似,其发生机制和意义有待进一步的研究。由于转录产物的种类、数量和堆积状态不同,在某些染色体轴的特定部位可以形成不同类型的侧环,这成为区分不同LBCs的重要界标[13]。LBCs的着丝粒(Centromere)有二种形态:一种是在某些两栖类中称为着丝粒颗粒,在鸟类中则为蛋白体(Proteinbody),其大小形态与前后染色粒不易区分,另一种主要在两栖类发现,着丝粒和其两侧相邻的染色粒彼此融合而成染色粒棒(Chromomerebar)。先前的报道表明着丝粒颗粒和染色粒棒上均无侧环,最近的报道称某些鸟类的蛋白体有短的侧环产生[14]。关于端粒(Telomere)的观察主要来自鸟类,在姐妹染色单体的末端分别形成端粒环(由染色单体的末端插入邻近的染色粒所致),通常情况下,端粒环是开放的,也存在一个插入一个开放的形式,其大小和长度具种的特性。两侧无侧环,鸡的端粒环含有2个转录单元[15],关于LBCs着丝粒和端粒可以转录在欧洲水蛙中也得到证实,一些串联重复序列可以在该类结构中大量转录[7]。球体(Sphereorganelles)是LBCs上另一个重要标志,有染色体的特异性,相当于一般染色体的次级缢痕。其直径一般2~10µm,一般包含2~4个[10]。以上这些结构由于在序列组成、位置、结合蛋白以及形成的高级结构上具有染色体或种的差异,结合LBCs的长度差异,现在已经绘出了多种两栖类和鸟类的LBCs细胞图[7];利用细菌人工染色体–荧光原位杂交(BAC–FISH)技术绘制了鸡LBCs着丝粒区的精细物理图谱[16],以上这些工作为利用LBCs进行基因组/杂种鉴定、精细遗传/物理图谱绘制、基因定位、转录和转录机制等研究工作奠定了基础。
1.2灯刷染色体的转录与转录进程研究表明转录主要发生在LBCs的侧环上,大量的新生转录产物和相关蛋白结合,形成了光镜下可见的RNP基质。每个侧环由1~数个转录单位组成,所以LBCs上单个转录单位是可视的,这使得他们成为在结构和分子水平上研究转录及其调控机制的优异材料[17]。侧环的类型因RNP基质的大小和类型可以大致分为正常的大环型、颗粒型、球型和块状(Lumpy),它们都是以30nmRNP颗粒为基础逐渐装配而成,为了探明不同结构的侧环与转录活性的关联,对典型的侧环如球型侧环利用放射自显影、转录抑制子结合大分子扩散分析技术进行RNA合成的分析[17],结果表明在这类侧环中,存在RNA的合成;侧环的延伸与转录活性相关,活性高的时候,侧环增大,活性降低时,侧环回缩到染色粒中;有的侧环中存在数个不同外形的转录单元,这几个转录单位的转录存在速度的差异。用RNA前体标记物作为探针进行原位杂交试验,与大环和颗粒状的侧环相比,球型侧环标记的速度和强度均较弱,推测不同侧环可能具有相异的转录模式,这个问题有待进一步阐明[18]。已有的报道表明不同侧环的演化存在关联性,这同样也可以看作是转录后的调控。电镜实验证明了这些类型的侧环都是由30nmRNP颗粒组成的;热休克(Thermicshock)实验结果显示在低温处理下,趋于向高级侧环结构发展,而在高温处理下,则趋于向去凝缩方向发展;免疫实验也证明侧环形态的多样性与特异蛋白存在关联。例如在蝾螈的卵细胞中发现一个82kD白,利用单抗进行原位杂交试验表明可以和所有类型的侧环结合,但是并不同步。比如,当球状侧环被强烈标记时,大环和颗粒环不被标记,当标记出现在核质中时,所有类型的环不被标记,该结果初步证明了特异的蛋白与侧环的结构演变存在关联[18]。
来自鸟类的实验表明,侧环中一个转录单位约长1~40µm,这些被转录的基因包括了编码基因和非编码基因。一个令人吃惊的事实是一些持家基因在LBCs的转录是被抑制的,比如在鸟类中编码18S、5.8S和28S的基因簇是没有活性的,但散布的该类基因仍然可以被RNApolII转录而不是polI[19]。迄今为止,在两栖类和鸟类LBCs的研究中,发现仅有少数单拷贝基因在此时转录。比如在两栖类LBCs中,已经证实细胞角蛋白(Cytokeratin)、核仁蛋白NO38/B23、c–myc和Eg1是转录的,并发现了它们的转录产物向核质转移[20]。基于DNA/RNA杂交技术的染色体涂抹技术(Chromosomepaintingtechnique)使大规模研究LBCs的转录成为可能,利用改良的该技术BAC–FISH发现许多鸟类LBCs单拷贝的基因可能是转录的。但问题是BAC克隆是大片段插入,包含了单拷贝和多拷贝的信息,所以,要验证更多的单拷贝的表达需要进一步的实验。早期的生化实验证明LBCs转录的主要是非编码的串联重复序列[21],进一步的调查是利用原位杂交实验证明两栖类LBCs转录的主要是一些微卫星序列。值得注意的是来自鸟类的研究结果,如果出现在侧环中的一个微卫星序列是转录的,那么侧环临近的染色粒里面的同类微卫星串联簇是不表达的,这个结果表明存在一种未知的调控机制启动LBCs侧环中微卫星DNA的转录[19]。来自热带爪蟾的研究发现卵母细胞中还储存大量来自LBCs转录子的稳定内含子(StableintronicsequenceRNA),这些内含子一直到囊胚期都可以检测到,说明在胚胎发育的早期可能发挥重要作用[22]。关于侧环上转录调控机制的研究,早期提出了“通读假说”(Read–throughhy-pothesis)[23],该假说认为侧环上转录起始于结构基因的启动子序列,到了该基因的终止序列后并不停留,而是继续转录下面的非编码序列,现代遗传学的研究结果否认了该假说。结合基因组和细胞学的证据表明位于鸡LBCs侧环微卫星序列中的反转录转座子长末端重复序列(LTR)启动了微卫星序列的转录,这得到了很多来自两栖类实验的证明。如果这个机制是正确的,侧环的平均长度应该与活跃的LTR启动子的数量呈负相关,这是今后需要阐明的问题之一。初生的转录产物被与RNA成熟相关的蛋白包被,成为附着于侧环上的RNP基质,这种独特的结构为在活体条件下研究侧环转录产物的处理和机制提供了平台。来自生化的证据表明,鸟类LBCs侧环中多数RNP基质含有与RNA成熟相关的组件,如snRNPs、SC35、hnRNP和3’末端处理相关因子。有些RNP基质中没有发现snRNPs组件,这可能是由于在相应的微卫星转录产物中缺少典型的剪切位点所致[19]。
1.3灯刷染色体的作用自从发现LBCs后科学家一直试图理解发生在侧环上大量且有点随意转录的意义,很多人认为这种转录或多或少是没有意义的[20]。Davidson于1986年提出了另一个假说[24],他认为发生在LBCs上的转录为将来卵母细胞的成熟和胚胎发育提供必要的转录产物,这一假说越来越为科学家重视。可能存在这种情况,LBCs上的转录产物在核膜破裂前是隔离的,当核膜解体后进入了转录后的切割程序,形成两类成熟的编码和非编码RNA分子,这种现象在Masi和Johnson研究LBCs组蛋白的转录过程上所证实[25]。据此推测,成熟编码蛋白质RNA分子可以用于在胚胎基因组启动表达之前,早期胚胎发育所必需蛋白质的合成。至于大量的非编码微卫星序列的命运可以用现代分子生物学的信息来解释。在后生动物中,编码微卫星序列的DNA可以转录形成dsRNA前体,成熟后产生siRNA,这些siRNA是形成组成型异染色质所必需的。那么,可以推测,在拥有LBCs的动物中,非编码微卫星序列的转录产物同样可以dsRNA前体形式储存在卵细胞中,为早期胚胎发育提供siRNA以便维持异染色质的稳定,这种假设的前提是要探明微卫星RNA产物能否出现在受精之后胚胎发育的过程中[19]。值得注意的是拥有典型LBCs的生物胚胎发育过程大部分时间是离体发育,这与胎生的哺乳动物在发育环境上存在巨大差异,因此,在这类生物中LBCs转录与离体后胚胎发育过程是否存在更密切的关联性是值得深入探讨的。1.4灯刷染色体的表观遗传修饰与染色质重塑通过对两栖类和鸟类灯刷染色体的深入研究,我们基本了解了其整体表观遗传的状态。来自两栖类的研究发现这类染色体中包括染色粒和侧环不但缺少组蛋白H1,而且组蛋白H4都呈高度乙酰化状态,这是典型基因组DNA转录活化的特点,实验证明,乙酰化和甲基化修饰组蛋白的尾部都会导致侧环相应状态的改变[19]。关于对LBCs表观遗传修饰的理解一个典型的例子是来自于对6种鸟类卵母细胞LBCsZW的研究[26]。鸟类卵母细胞中性染色体ZW是一个仅通过着丝粒处相连的不对称二价体,Z染色体具有正常的LBCs形态,而富含重复序列的W则仅形成几个较大的染色粒,含有少量的侧环。进一步的研究发现W染色体具备了惰性染色体的特点,比如缺少乙酰化组蛋白H4,富含组蛋白H3K9和H3K27的二甲基化,几个大的染色粒都含有大量的异染色质蛋白1。这些因素共同导致了W染色体在鸟类卵母细胞的发育中高度凝缩的状态[19]。
尽管现在从整体上对LBCs的表观修饰有了一定的理解,但对该类染色体的“建立–维持–再凝缩”的机制了解很少。一个重要的事实是在两栖类和鸟类的LBCs上,不但缺少组蛋白H1,而且也未见参与减数分裂染色质凝缩的拓朴异构酶II。另外一个在维持LBCs形态方面发挥重要作用的蛋白是染色体结构维持(Structuralmaintenanceofchromosomes,SMC)蛋白家族,它们参与了黏连(Cohesin)复合体和凝缩(Condensin)复合体的形成。电镜结合免疫试验证明黏连复合体主要出现在姐妹染色单体两条染色质丝形成的轴上,后者主要在染色粒上发现。这说明,这两种复合体可能对维持LBCs的染色粒–侧环结构发挥重要作用[27]。最新的关于LBCs重建的实验来自将人类的注射进两栖类动物非洲爪蟾的卵母细胞中,结果发现染色体形成了典型的LBCs结构,这一方面说明了两栖类动物卵母细胞中含有重塑哺乳动物非活性染色体的所有因素,另一方面也说明哺乳动物卵母细胞染色体的失活并不是永久的遗传或表观遗传机制造成的。这个实验为进一步鉴定染色质重塑相关的顺式和反式作用因子以及解析其机制提供了研究材料[9]。
2灯刷染色体应用于遗传学教学的现状与思考
对于遗传学内容的传授离不开优秀的案例,生命科学的飞速发展也使得这些案例的内涵得到了丰富和扩展。以优秀案例开展遗传学教学工作可以将复杂的遗传学知识形象化和简单化,便于教师的讲授和学生的理解与记忆[3],同样也可以使枯燥的遗传学学习变得妙趣横生。LBCs就是遗传学的一个优秀经典的案例,但在遗传学教学中出镜偏低。在作者教学所使用戴灼华等编写的《遗传学》课本中,以LBCs为案例介绍的内容很少[28],仅在第二版第二章《遗传的细胞学基础》中,作为一种特殊染色体形态进行了简单介绍,一句“LBCs是在光学显微镜下直接观察并识别特殊位置上的单个基因转录活性极为理想的材料”让学生对该案例充满了遐想和期待,但本书后面的遗传学内容均没有发现该案例的身影,因此发掘和使用LBCs案例应用于遗传教学有十分重要的意义。
2.1灯刷染色体在遗传学教学中的拓展以LBCs为案例进行相关遗传学内容教学,我们应首先根据高校遗传学的培养目的和教学目标,在学生掌握了一定的细胞、生化和遗传知识的基础上,结合遗传学的进度逐步有序地加以介绍。在我所教授的遗传学课本中LBCs是作为一类特殊的染色体介绍给学生的,除了介绍了一点关于LBCs的发现和特点外,缺少更加详细的资料。正是由于其可视性的特点,学生除了可以容易的掌握其特殊染色体的特点外,也可以掌握一般染色体具有的特点。其实,随着研究的深入,其涵盖的遗传学知识也越来越多,形成和维持该特殊染色体的原因也越来越清楚。我们在教学过程中是这样介绍的:关于LBCs结构的认识是随着相关技术的发展而不断深入的。19世纪末发现LBCs并不偶然,那时的科学家用光学显微镜寻找适合的染色体材料去研究减数分裂和有丝分裂;随着时代的发展,科学家发现LBCs丰富而富有特色的结构适合细胞图的绘制;电镜和扫描电镜的发明更推动了LBCs结构和染色体组织的认识,知道了更细微结构的形态,比如对侧环结构的认识,发现了侧环结构的复杂性;免疫学和电镜技术的结合,使科学家认识到侧环是由最基本的单位RNP颗粒组成的,经过一步步的装配和折叠形成了不同外形特点的侧环;分子技术、免疫技术和电镜技术的综合运用,使人们认识到侧环白体中RNA主要是微卫星序列的转录产物,但也有少量单拷贝的编码序列RNA。由此引导同学们思考:既然LBCs的RNP基质中主要是编码非编码序列微卫星的RNA,它的作用究竟是什么呢?如果同学们已经知道了微卫星序列最终编码的siRNA参与了异染色质的形成和维持的话,自然会想到在LBCs“再凝缩”阶段可能会发挥作用。关于适合进行细胞图的绘制也可以根据技术的发展逐渐深入:在仅有光学显微镜的早期,只能根据大的界标如侧环、染色粒、着丝粒、端粒等进行简单的作图,用于区分不同的染色体、基因组甚至杂种;随着电镜技术的发展,对LBCs结构认识更加细致,可以绘制更加精细的细胞图;随着染色体涂抹技术的发展,可以将DN段定位到LBCs不同结构中,绘制更加实用的物理图,这将为进行全基因组测序更加全面的认识基因组特点奠定基础。关于LBCs形成和维持原因的介绍可以使学生理解和掌握染色质重塑方面的知识。早期在只有光学显微镜的条件下对它的认识一筹莫展,只能提出假说;但随着免疫技术和分子生物学技术的运用,才认识到存在一些事实:LBCs中组蛋白H1缺失,H4高度乙酰化,染色粒处富含组蛋白H3K9和H3K27的二甲基化,鸟类W染色体几个大的染色粒都含有大量的异染色质蛋白1等等。其实这离完全了解其产生机制还有很远的距离。为了让学生直观地掌握转录相关知识,也可以引入LBCs的相关内容。由于单个转录单位可视性的特点,所以可以直观容易地了解单个转录单位的结构、组成、长度、速率和分子互作等方面的知识。为了学生更容易地理解LBCs相关的遗传学知识,开设LBCs分离和鉴定实验是值得考虑的教学内容。现在国内常用的遗传学实验教材没有这个实验,国外也少有开展。我校生命学院关于该实验正在筹划中,所以待有了一定的进展后再向同仁汇报。更加详细的实验程序可以参照相关网站的内容。
关键词:医学遗传学;教学方法;合理应用
医学遗传学是医学和遗传学相结合的一门学科,以遗传病为研究对象,主要研究遗传病的遗传规律、发病机制、预防、诊断和治疗的方法,是医学教育开设的一门专业基础课程。随着人类基因组计划的顺利完成以及传染性、流行性疾病得到有效控制,人类遗传性疾病越来越受到重视。医学遗传学作为研究遗传性疾病的主干学科,其教学内容多、学科间联系紧密、教学知识点贯穿临床医学和基础医学领域,是医学生的一门必修专业课。
由于遗传性疾病并不常见,医学遗传学知识在学生执业医师考试内容中所占比例较少,所以学校安排课时少,学生相对也不重视,医学遗传学在实际教学中存在课时少任务重、学生重视度不够、教学方法不合理等问题。为了使学生充分掌握医学遗传学知识,教师顺利完成教学任务,传统单一的教学方法已然不能胜任。通过总结教学经验,笔者发现根据各章节教学内容的不同,合理运用多种教学方法,能够在有限的学时内充分调动学生学习的积极性,是提高教学质量、顺利完成学科教学目标的有效途径。
一、不同教学方法在各章节中的合理应用
1.传统讲授法结合启发式教学
传统讲授法是教学过程中常用的教学方法,以授课为基础。与其他教学方法相比较,存在教学过程中教师占主导地位、学生被动接受知识、缺少主动思考的弊端。医学遗传学基础理论知识较多并且抽象,传统讲授法能够快速地进入主题,但不能很好地激发学生的学习兴趣。启发式教学以问题为导向,教师根据教学对象的特点,选择与教学内容相关的问题让学生思考,随之将学生带入课堂,调动学生学习积极性。对于理论性较强的章节,采用讲授法与启发式教学方法相结合的教学方法,能够将二者的优点相结合,在系统讲解医学遗传学基本理论知识的同时调动学生主动思考的积极性。如讲解遗传的分子基础,可从介绍人类基因组计划入手,启发学生思考基因组计划的目的、意义,进而阐明基因的概念、结构以及功能。将抽象的基础理论知识与前沿科学技术联系起来,不仅能够激发学生的学习兴趣,同时提高其对基础知识的认知层次。教师在具体的教学过程中,遗传的分子基础以及遗传的细胞基础章节可采用讲授法与启发式教学相结合的方法。
2.围绕病例展开的PBL教学法
PBL教学法是一种以学生为主导,以问题为基础的教学法,由Barrows教授引入,目前在教学中广泛使用。在医学遗传学教学中,PBL教学法主要应用于遗传病病例教学章节,单基因病和染色体病章节涉及多种遗传性疾病。教师选择日常生活中学生可能见过或者听过的病例,如白化病、唐氏综合征、红绿色盲。具体教学过程:首先让学生分成若干小组,各组根据病例提前收集资料,然后在教师的指导下进行小组讨论,讨论内容包括疾病发病机制、遗传特点、临床表现、治疗预防原则等。通常学生讨论的内容并不全面并且其科学性有待考证,此时需要教师做总结补充并且纠正错误观点。如白化病,学生关注点在其发病机制、临床表现、遗传规律,教师可以从遗传规律绘制白化病家族系谱图,进而引出常染色体隐性遗传病的遗传规律,计算发病风险。PBL教学法能够提高学生自主学习以及表达能力,在讨论的过程中学生和教师直接交流、沟通,教师能够了解学生对知识点理解掌握的程度,及时给予指导及解答。讨论结束后学生以自我评价报告的书面形式做自我评价,评价报告得分计入期末成绩。PBL教学法通过教师和学生的密切互动,有利于学生综合素质的培养。
3.模拟门诊教学法
医学遗传学是一门基础学科,但是涉及较多临床知识。模拟门诊教学法是在教师的组织下,根据教学内容设置给出病人具体患病名称,由学生扮演医生和病人,完全模拟真实的就诊场景。临床模拟教学法主要应用于遗传病的诊断预防和治疗章节。具体的实施过程可将学生分成两组:病人组和医生组,两组学生各自检索相关资料,病人组的学生负责整理描述该病的临床症状,以及其他需要咨询的内容,医生组则要给出具体的诊断、治疗、预防方法。两组学生派代表扮演医生和患者,模拟就诊场景。临床模拟结束后医生组与患者组要根据模拟过程中各自的提问与回答做出互评与补充。临床模拟教学法要求教师具备临床经验与引导组织能力,现场总结遗传病的诊断、预防和治疗方法。
模拟门诊教学法应用于学生将理论知识转化为临床实践的过程中,巩固知识点,使学生体会作为医生的责任感与严谨性。模拟门诊教学法能够促进医学遗传学的实践教学,提高学生分析问题与搜索资料的能力。
4.科研进展专题介绍
医学遗传学是一门医学和遗传学相结合的前沿学科,发展迅速、知识更新较快,但教学教材相对滞后。为了满足学生对新知识的渴求,并且激发学生对科研的热爱,日常教学要与科研进展相结合,所以在课程进行过程中,结合社会热点,在相关章节开展医学遗传学研究热点进展报告很有必要。如由著名影星安吉丽娜・朱莉切除双侧乳腺事件,可设置疾病的基因检测与定位研究专题报告;2016年我国全面放开二孩政策,开展高龄产妇面临的遗传病高风险研究进展以及试管婴儿技术难点等相关的研究报告。通过社会热点介绍科学发展的趋势、重大事件、新技术的研究进展,可开拓学生视野。
5.鼓励学生充分利用网络资源自主学习
无论是本科院校还是专科院校都存在医学遗传学教学学时少、任务重的现象。教材中涉及的不常用的部分内容,通常在课堂中教师是不讲或者略讲的,然而现实课堂教学选择的教学内容,已经无法满足学生对医学遗传学深入学习的需求。高速发展的信息技术很好地解决了这一难题。学生可以利用电子图书馆、中国知网以及各高校精品课程网、医学论坛等途径获取课堂上没有涉及的知识点。网络资源库最大的优点是不受时间地点的限制,学生根据需求自主获取学习资料,亦可在线与教师、学生互动、交流。自主学习是传统教学的良好补充,学生在利用网络资源探索获取知识的过程中,锻炼了其独立思考、发现问题、解决问题的能力。
医学遗传学是一门理论与实践相结合的学科,由于其内容繁重、抽象,学生普遍反映难学。传统单一的教学方法已经无法实现现阶段的教学目的,根据教学内容的不同选择不同的教学方法,不仅培养了学生综合素质,而且提高了教学效率。同时,多种教学方法穿插在课堂中,使课堂教学气氛活跃,上课注意力集中,学生对医学遗传学基础知识掌握更加牢固,加深了对各类遗传病的认识,了解了医学遗传学研究的前沿热点。合理运用多种教学方法,提高教学质量,要求教师具有丰富的教学及临床经验,同时要全面提高知识结构,时刻关注医学遗传学及相关学科研究进展。
参考文献:
[1]马红莲,张联珠,聂晨霞,等.关于提高医学遗传学教学质量方法的探讨[J].中国优生与遗传杂志,2012,19(12):135-136
[2]戴红彦.医学遗传学教学中存在的问题和教学方法的合理运用[J].学术论坛,2016(3):153-154.
一、遗传学双语教学的目标定位
双语教学的定位首先是专业教育,其次是语言教育。既要向学生传授遗传学专业知识,又要提高学生的英语应用能力。遗传学双语教学的目的是使学生能够同时使用汉语和英语进行思维,能够根据需要在两种语言之间进行切换,具备用两种语言进行专业知识的学习、应用与交流能力。双语教学必须把专业知识的学习放在第一位并达到如下要求:首先使学生获得学科必备的专业知识和技能;其次是使学生能够利用英语作为载体掌握这些知识与技能,并能利用两种语言进行专业知识的学习和相关信息的获取,掌握本学科最新发展动态;最后是提高学生英语的综合应用水平,培养学生使用英语进行学术交流的基本能力。
二、双语教学的开展
(一)教学对象的选择与教学班级的组织。学生作为受教育的对象和主体,他们的英语基础和学习态度对双语教学的效果起着非常重要的作用。遗传学双语教学要求学生具备较扎实的英语知识基础, 较高的英语综合素质,浓厚的英语学习兴趣,强烈的求知欲和参与双语教学的积极性,这是开展双语教学的基本条件。涉农专业学生大部分来自农村,英语水平参差不齐,综合运用英语的能力不强,是双语教学的一个重要障碍。另外,不同的学生学习遗传学的目的、要求和动机也各不相同:如部分学生只想应付考试,而另外一些学生力求深入系统地学习,为将来继续深造或在本领域有所发展打下良好的基础。如果以自然班为单位组织教学, 势必会给双语教学的顺利开展造成困难,难以达到应有的效果。笔者曾以自然班级为单位开展双语教学,几次课后发现部分学生不愿意听讲,其原因是英语基础差,听不懂,跟不上,也不愿意花太多时间在这门课程上进行双语学习。因此, 在组织双语教学班级之前教师应对学生的基本状况进行调查分析,讲清双语教学的意义、目的和要求,在学生自愿报名的基础上, 根据学生的基础英语水平和专业知识的学习情况,选择部分英语水平较好、专业思想牢固、对遗传学双语教学具有浓厚兴趣的学生单独编班,每个班级人数以30左右比较合适,为顺利开展双语教学创造良好的条件。
(二)双语教学中授课语言的使用问题。实际上是英语和汉语使用的比重问题(纯英语授课、以英语为主或以汉语为主)。以哪一种语言进行授课取决于学生的英语水平、学习者的语言环境及课程的性质。在我国汉语是具有绝对地位的使用语种,缺乏象新加坡、菲律宾、印度等国那样使用英语的语言环境,部分学生英语阅读的水平相对比较高,而用于日常交流的听、说水平比较差。遗传学作为一门专业基础课一直被初学者认为是较难学的课程之一,对于英语基础较差的学生,遗传学采用双语教学无疑难度会更大。所以在遗传学双语教学实践中,一般同时承担着专业教育和语言教育的双重任务。笔者在遗传学双语教学实践中发现根据授课内容采用不同的英汉比例效果比较好,如对主要的专业术语和基本原理用英汉双语给出,但多用汉语讲解,在学生理解的基础上再掌握英文的表达方法。对中文比较难以理解的章节多用汉语讲解,而对容易理解的章节多用英语讲解,即使用英语教学也应让学生了解汉语的表达,这样既有利于初步培养学生对专业知识的英语学习和表达能力,也有利于在汉语语言环境下进行专业知识的获取,为后续专业课教学过渡到用更多英语或纯英语授课打下良好基础。当然面对英语综合水平较高的学生可增加英语使用的比重直至采用纯英语授课。
(三)教材的选用及课堂的准备。教材是知识的主要载体,也是教学的主要依据。开展双语教学,首先要有合适的外文教材。用作双语教学的外文教材要具备难度适中,条理清楚,逻辑性较强,内容安排具有连续性、系统性、先进性,语言规范、简明易懂。综合考虑国内市场上可见的遗传学英文教材,结合前人的教学实践,我们选用了教育部高等教育司推荐的由高等教育出版社2008年影印版的《Essentials of Genetics (6th edition)》。对比常用的中文教材,发现其内容多,知识覆盖面广,全书共24个章节,其中有11章是关于分子遗传学的内容,信息量大,该教材的主要特点是采用案例陈述,对知识点的分析比较简单,对学科的发展及重要背景介绍的很多,强调知识点的来龙去脉,且每章都提供了相应的原始文献,利于学生的自主学习;相比较而言,中文教材的特点是重视对知识的归纳总结,在知识点的分析上细致深入,学生的学习效率高,短时间内可以获得大量的知识点信息,可以减轻学生学习的负担,但是对培养学生独立思考能力和自主学习能力存在不足。考虑到国内外不同教材的特点,学生的学习习惯和教学效果,我们在教学过程中同时推荐朱军主编的《遗传学》(第三版)作为主要的中文参考教材。在双语教学实践中我们发现学生对于《Essentials of Genetics (6th edition)》教材理解的主要障碍在于专业词汇过多,有些英文句子较长、结构复杂,对一些英文表达习惯不熟悉。对此我们组织编写了与教材配套的中英对照词汇表,用英文编写了每个章节的讲授提纲;同时将涉及的基本原理、重要习题等编写成中英文对照资料, 在上课前发放给学生,便于学生课前预习和课后复习,这样有利于节省时间,提高效率。
(四)采用多媒体及网络教学。遗传学国外原版教材内容丰富,信息量大,图片众多,多数内容都需要图表来描述和展示,对这些内容的讲解如果不借助多媒体课件,几乎是不可能在规定的时间内完成的,而且也达不到预期的教学效果。例如,熟练掌握细胞有丝分裂和减数分裂过程是学习经典遗传学三大定律的重要基础,但是细胞分裂过程复杂抽象,学生缺乏感性认识,难以理解、记忆和应用。利用多媒体技术模拟细胞的有丝分裂和减数分裂动态过程,制作成动画视频,并配合一定的讲解,把抽象、难解的细胞分裂全过程变得形象、生动、具体,学生很快就能掌握。双语教学由于使用两种语言教学,对教学进度会有一定影响,受到学生英语接受能力的限制,学生对教师英文讲授的理解存在一定困难, 如果把讲授的英语内容完全板书下来是不现实的, 借助多媒体教学就显得灵活方便。利用多媒体教学一方面可以节省时间, 加快教学进度;另一方面可以增加信息量,并且形象生动,加深学生学习的印象, 有助于学生对讲授内容的理解。在教学过程中充分利用互联网资源。通常国外原版教材配有相应的教学软件、光盘和网上教学资源,可以帮助学生理解、拓展和深化课堂教学内容。我们还开通了遗传学课程网,网上有中英文课件、英汉对照词汇表、习题集、模拟试卷等学习资料,建立了师生交流平台,学生可以在线相互提问,相互回答,也可以向老师提问,老师在线回答。利于学生自主学习,增加了学生与老师交流的机会,提高了学习效率。
(五)调动学生参与双语教学的积极性。双语教学无疑会增加学生的学习负担,英语水平较差的同学很容易产生畏难和厌学情绪,导致学习兴趣下降,从而影响教学效果,这已成为地方高校开展双语教学中面临的共性问题。因此,要保证双语教学取得良好的效果,首先要激发学生的学习动机和兴趣, 让学生认识到遗传学开设双语教学的意义和必要性。遗传学是当今发展最为迅速的学科领域之一,国际上近年科技上获得的重大突破,很大一部分都与遗传学直接或间接相关,而遗传学最新的发展动态和研究成果都出现在英文文献中,通过双语教学可以培养学生应用英文的水平,为将来跟踪学科前沿动态,获取相关信息,并在该领域有所建树奠定良好的基础。通过具体实例让学生深入领会并理解遗传学双语教学的意义,利于培养学生的学习兴趣,激发其学习动力,保证双语教学顺利实施。在教学过程中,树立以学生为主体的教学理念,在课堂教学中既要营造一个良好学习氛围,又要营造一个轻松学习环境,减少学生由于双语教学带来的学习压力。教学中采用启发式、 讨论式、随堂提问等方式培养学生的思维习惯,提高学生的参与意识,激发学生的学习兴趣。我们在授课过程中关注学生的学习动态和接受情况, 并适时调整授课进度和授课方式。经过一段时间的双语教学,教师根据课程教学的内容, 结合学科的发展、日常生活中的遗传学现象等提出一些相关话题,课后让每个学生选择自己感兴趣的内容,查阅英文资料,寻找答案,或用自己的观点,准备发言稿,上课时先分组讨论,然后上讲台用英文讲解,给每个学生锻炼的机会,这样可以提高了学生的参与度,消除学生的畏难情绪, 提高了教学效果, 受到了学生的欢迎。
三、遗传学双语教学的思考
为保障双语教学顺利实施并取得良好的效果,管理者、教师和学生三者应密切配合。学校要加强规范管理, 从双语教学课程的设置、教师的遴选、教学质量的评价等方面加强领导。对双语教学课程的选择应该将其纳入整个课程体系和人才培养体系中综合考虑,根据课程之间的内在联系,建立起科学合理的双语教学课程体系。遗传学是当今发展最为活跃的学科之一,在学科中占有重要地位而且与其他多门课程有密切联系,农科及生命科学相关专业选择该课程进行双语教学是合适的,但是要做好与后续相关课程双语教学的衔接,如分子遗传学、基因工程等课程。开展双语教学要充分调动教师的积极性。为了进行双语教学,教师要花费比非双语教学更多的时间和精力来进行学习和准备,一般认为双语教学的备课时间是非双语教学课程备课时间的3-5倍,而且还要调整和适应课堂的教学环境,明显增加了教师的教学压力。要制定相应鼓励政策和激励机制,如增加进修培训机会,补助额外工作量等。学生的积极参与和刻苦学习也是双语教学取得成功的重要因素。在组织双语教学班级时,尤其对农科类专业开展双语教学,要打破自然班级的界限,选择英语基础较好,兴趣浓厚,学习积极性高的学生组成教学班级,并且以小班开课为宜,在整个教学环节中要充分调动学生的积极性。
不受欢迎的礼物之一:心脏病
由马萨诸塞州大学医学院教授奥利弗・兰杜主导完成的这项研究,是表观遗传学的又一新成果。表观遗传学又称为实验遗传学、化学遗传学或基因外调节系统,是遗传学中的一个崭新分支。表观遗传学是在不改变基因序列的前提下,基因功能可逆的、可遗传的变化是如何表达的。这些变化包括DNA的甲基化修饰、组蛋白的各种修饰等。
该研究以两组雄鼠为对象,其中一组刚断奶就开始喂低蛋白食物,直至这些老鼠性发育成熟;另一组正常喂养的小鼠作为对照组。之后对这些雄鼠的下一代进行研究发现:在肝脏内与脂质和胆固醇的生物合成有关的基因表达增强,与胆固醇脂(抑制胆固醇在肝脏内的生物合成)有关的基因表达减弱。尽管小鼠的基因组序列并未发生实质性改变,但其新陈代谢功能已受到严重影响,罹患心脏病的几率大增。
这里发挥关键作用的是DNA甲基化。DNA甲基化指的是在DNA碱基上加入甲基基团的化学修饰现象,这种变化虽然不如基因突变那样“深入骨髓”,却能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。
研究人员在下一代小鼠DNA胞嘧啶(DNA的4种碱基之一)上观察到了甲基化程度的适度改变(约20%)。这些相对显著的DNA甲基化程度的改变是不良饮食长期作用的直接结果。因此,父母遗传给我们的不仅是基因,父母“告诉”我们事情的方式还有许多。
不受欢迎的礼物之二:糖尿病
澳大利亚新南威尔士大学医学院教授玛格丽特・莫里斯等人的研究表明,雄性小鼠长期食用高脂肪食物,会使其雌性后代出现血糖代谢障碍,增加患糖尿病的风险,但这种效应对雄性后代并不明显。
研究人员让一组雄鼠摄入高脂肪的食物,而对照组的雄鼠则用正常的食物喂养。结果用高脂食物喂养的老鼠出现超重现象并表现出2型糖尿病的两个主要症状:血糖代谢障碍以及胰岛素抵抗的问题。令人吃惊的是,研究人员继续对肥胖老鼠的雌性后代进行检查时,发现它们也出现了胰岛素和血糖调节障碍的问题。此外,健康的雄鼠其雌性后代也是健康的。
人体的血糖浓度由胰脏的胰岛β细胞团分泌的胰岛素控制。这些细胞成团形成一个个的“岛”。研究人员注意到,和对照组的雌鼠相比,父亲肥胖的雌鼠发生了胰岛萎缩。肥胖雄鼠的雌性后代身上有600个以上的胰岛出现了基因表达的改变,但由于基因序列本身并无变化,研究人员认为,DNA甲基化再次充当了重要角色。
研究人员发现最大的基因表达改变发生在一个名为Il13ra2的基因上,这种基因可以调节不同的胰腺癌细胞系的生长和入侵,其基因的表达可以通过DNA甲基化改变。实验结果表明,实验组后代Il13ra2基因的甲基化水平是8.9±2.2%,约为控制组的25%(33.6±4.0%)。这种基因甲基化可能是实验组小鼠后代出现血糖代谢障碍的罪魁祸首。
基因并非一切
如果在人身上也有同样的现象,就为心血管疾病多发与日渐增加的肥胖人口找到了一个新的解释。这些研究也让妻子更理直气壮地告诉丈夫:“为了你自己,也为了孩子,请控制饮食。”
这两项成果给人类对基因的认识带来了同样深刻的改变。以往的报道中,基因似乎无所不能:基因是万病之源,人的生理特征如长相是由基因决定的,一个人的个性、将来也与基因扯上了关系。但这些报道有相当的夸大成分。中科院院士杨玉良一个题为“从肥皂泡到生命过程――关于基因后生物学的点滴思考”的演讲中曾指出,在基因之外还有很多因素,包括物理的、化学的因素等,影响着生物学功能的表达。
从基因概念的提出到基因内容的充填,经历了漫长的探索过程,倾注了众多生物学家的心血。
1 基因概念的提出
1866年,孟德尔发表了关于豌豆杂交实验的论文,将控制生物性状的物质赋予了一个新的名字,即“遗传因子”。孟德尔认为一个遗传因子决定着一种性状;“使两个植株能相互区别的性状,归根到底决定于因子的不同组成和不同的组合;这些因子以动态的相互作用方式存在于它们的起源细胞中”;生物的性状通过遗传因子从亲代传递给子代。遗传因子概念是孟德尔在进行大量实验的基础上,对实验材料进行统计分析,采取假说―演绎法提出的。遗传因子使孟德尔发现了遗传的两大定律,为遗传学的建立奠定了理论基础。
1865年,孟德尔以《植物杂交实验》为题,在布隆自然科学学会上介绍了实验过程和结果,但其研究成果被完全忽视了。载有孟德尔新发现的布隆学会会刊被寄往115个图书馆。孟德尔得到这篇文章的复印件后,寄了一份给达尔文。可惜的是达尔文连看也没有看一眼。孟德尔又将文章寄给知名的植物学家克尔纳和内格里,也没有引起克尔纳的关注。内格里与孟德尔保持了一段时间的通信,孟德尔在给内格里的第二封信中,建议内格里重复一下自己的实验,并将豌豆种子寄过去,但内格里没有做这个实验。内格尔在1884年出版的关于进化与遗传的著作中,没有提到孟德尔,这是因为他主张和支持融合遗传的理论。
直至1900年,3位植物学家德弗里斯、柯伦斯和切尔马克在几个月内,先后发表文章称,他们发现了重要的遗传规律,但在查阅文献时发现,19世纪60年代孟德尔已经发表了该定律。
孟德尔的理论为什么会被埋没了35年呢?主要原因在于,一些科学家认为孟德尔的理论过于抽象,与实际脱节,没有物质基础。美国遗传学家摩尔根最初也是反对孟德尔学说的,他认为孟德尔学说缺乏实验证据,甚至怀疑等位基因分离理论,因为没有什么机制可以解释相对性状的分离。
1909年,丹麦遗传学家约翰逊提出了用“基因”取代孟德尔的“遗传因子”。约翰逊认为,遗传因子或因子不属于科学术语,不够准确。“基因”便于与其他的词结合起来,表达近代孟德尔法则由研究者们所涉及的配子中的“单位因子”“要素”或“alleles”。不仅如此,为了把遗传的原因与效应分开,1911年,约翰逊又提出了基因型和表现型的概念。约翰逊用“基因型”一词,用来描述受精卵中全套基因及其表达生物性状的全部能力;用“表现型”一词来描述基因外在作用的结果,这两个术语很快就被科学界普遍采用。基因型是自然选择的基础,基因型中的变化是永久性的,它们能够遗传下去。表现型的变化反映了环境因素的作用,并非是永久性的。基因型与表现型的区别,有助于研究者弄清哪些变异是可遗传的,哪些变异是不能遗传的。约翰逊虽然提出了基因的概念,但他认为,基因只是一个说明问题的符号、计算单位、统计单位。约翰逊说:“不再考虑基因是一种器官样的、有独立生活和类似性质的小体的概念,会导致这一概念的假设必须完全忘掉”。1917年,美国遗传学家戈式米特批评了遗传学家对基因过分谨慎的态度,戈式米特说:“我们认为对待问题的这种心智态度,是约翰逊对基因的本质采取了不可知论的结果,这样就使我们产生了某种神秘的崇敬心情,对基因的世俗属性的观点表示深恶痛绝。”约翰逊虽提出了基因的概念,但并不承认基因的物质性,使人们对基因的认识带上了神秘的色彩,甚至使自己也滑向了唯心主义,这是可悲的。孟德尔和约翰逊的共同点是都提出了一个概念、一个符号,将基因的形式和内容分离开来。他们的不同在于,孟德尔并未否定基因的物质性,而约翰逊认为基因是不可知的,属于一种非物质的东西。
2 对遗传物质的探索
什么是遗传物质?这个问题困扰了科学家很长时间。1883年,德国遗传学家魏斯曼预言:“遗传物质是具有特定分子结构的化合物”。在证实脱氧核糖核酸是遗传物质之前,遗传学家已经认识到,作为遗传物质至少应当具备三个特点:① 携带遗传信息;② 能够自我复制,使子代和亲代保持相对的稳定性和连续性;③ 能够产生可遗传的变异,使生物与环境相适应。要想知道基因是什么,就必须研究染色体,分析染色体上什么物质携带遗传信息。这项工作难度很大,因为细胞核本身很小,很难将染色体分离出来。尽管如此,科学家仍然成功地将染色体上的物质分离出来,得出其基本成分是核酸和蛋白质,并且证实这两种物质都是高分子有机化合物。1900年前后,遗传学家认为:核酸不是遗传物质,因为核酸较蛋白质的结构简单,不可能在遗传以及受精卵的发育过程中发挥作用。再者,细胞有丝分裂过程中,只有染色质浓缩时才能着色。1909年,植物细胞学家特拉斯布格说:染色体本身不可能是遗传物质,因为它随后就脱离了染色体形态,而且在细胞核中,其含量也因发育阶段不同而变化。1920年,美国遗传学家戈尔什米特指出:“如果按照习惯认为染色体中的核素是遗传物质,那么就决不可能有某种化学概念能够解释它的多种多样效应”。染色体的主要成分是蛋白质和核酸,那么两者谁才是遗传物质呢?1868年,瑞士化学家米歇尔从伤员绷带上的化脓细胞中,分离出一种酸性物质,这种酸含有大量的氮和磷。后来,米歇尔又从鲑鱼的头部,分离出含有酸性的化合物,并取名为“核素”,后来改称“核酸”。1879年,德国生物学家柯塞尔发现,核素是蛋白质和核酸的复合物。他经过十多年的研究,搞清了核酸的基本成分,但在当时并没有被人们普遍接受。1909年,美籍俄国生物化学家莱文发现,酵母中的核酸含有核糖。1929年,莱文发现动物胸腺嘧啶细胞中的核酸含有脱氧核糖,并把以前发现的核糖称作核糖核酸,把后来发现的核酸称作脱氧核糖核酸。1923年,细胞化学家福尔根证明,DNA是染色体的主要成分之一。一些间接证据表明,DNA储藏着遗传信息。比如,细胞内绝大多数的DNA位于染色体上,每一个细胞DNA的含量与染色体的倍数有着精确的对应关系,二倍体生物的体细胞中,DNA含量总是同种生物单倍体的两倍。另外,DNA比蛋白质和RNA更加稳定。这些都暗示着DNA是遗传物质,但还不能被证明。
1928年,英国医生格里菲斯用肺炎双球菌感染小鼠时发现,肺炎双球菌有两种类型:光滑型和粗糙型。粗糙型的菌体无荚膜、无毒性,一般不会使小鼠致病;光滑型有荚膜、有毒性、致病性强。荚膜的化学成分是葡萄糖和葡萄糖醛酸的复合物,能够抵抗某些生物体的吞噬,使细菌在宿主体内大量繁殖而致机体生病。肺炎双球菌又分为RⅠ、RⅡ、RⅢ和SⅠ、SⅡ、SⅢ等不同的菌体。格里菲斯用RⅡ和SⅢ作为实验材料,把SⅢ型注入小鼠体内,结果使小鼠患肺炎而死亡;将RⅡ注入小鼠体内,小鼠不患病。经过加热处理的SⅢ型肺炎双球菌,注入小鼠体内后也不致病。但将经过加热处理的SⅢ型肺炎双球菌与RⅡ型肺炎双球菌混合注入小鼠体内,却使小鼠患病死亡。从死亡小鼠的血液中可以分离出大量有活性的SⅢ型的肺炎双球菌,小鼠体内的这种SⅢ型肺炎双球菌含有SⅢ型的多糖荚膜,证明无荚膜的R型肺炎双球菌突变成为了有荚膜的S型。格里菲斯对此现象的解释是:经过热处理、已经被杀死的S型细菌,可以使那些活着的R型细菌发生转化,使它们恢复野生型所具有的合成荚膜的能力。格里菲斯发现了肺炎双球菌的转化现象,但不能解释转化的原因。
1944年,美国生物学家艾弗里及其同事通过体外转化实验,弄清了转化的本质。艾弗里重复了格里菲斯的实验,并用生物化学的方法证明转化的因子是DNA,而不是蛋白质、RNA和多糖。他分别做四个正实验和四个负实验:将SⅢ型的细菌杀死,然后分离出DNA、RNA、蛋白质和多糖荚膜,把这四种物质分别加进RⅡ型菌株,经培养后,只有加进SⅢ型菌DNA的RⅡ型菌株发生转化,产生RⅡ型和SⅢ型的细菌;与此同时,还用不同的酶,处理提取物以观察实验的影响。这样,艾弗里第一次证明了DNA是转化因子,即DNA是遗传物质。尽管艾弗里的实验很严谨,但其他科学家认为这一结论有以下疑点。
① 认为生物的遗传与染色体上的蛋白质有关。蛋白质与核酸相比,蛋白质作为遗传物质的可能性更大。这是因为,组成蛋白质的氨基酸有20种,这20种氨基酸的不同排列组合,是一个巨大的天文数字,可储存更多的遗传信息。DNA分子量小,只有4种碱基,不同的DNA之间的差异很小;
② 在转化过程中,DNA提取的不够纯,可能带入蛋白质分子,其他科学家认为是蛋白质完成了转化的功能;
③ DNA虽然是转化因子,但可能DNA只对荚膜的形成有作用,而不是遗传信息的载体。1952年,美国生物学家赫尔希和蔡斯分别用同位素35S和32P来标记T2噬菌体的蛋白质外壳和核心DNA。当T2噬菌体被35S标记后,将其与大肠杆菌混合几分钟,用搅拌器搅拌被感染了噬菌体的细菌,使吸附在细胞表面的噬菌体脱落后。这时,蛋白质外壳脱落下来,没有进入细胞中。子代噬菌体不含放射性。当噬菌体T2用32P标记后,所有放射性只在感染了噬菌体的大肠杆菌内部,表明病毒DNA进入了宿主细胞,而蛋白质外壳留在外面。合成子代T2噬菌体的DNA的遗传信息,只存在于父代DNA中。这个实验的结果表明,DNA才是遗传物质,这个实验结论很快被科学家承认。赫尔希和蔡斯的实验证明DNA是遗传物质,揭示了遗传物质的化学本质,大大推动了对核酸的研究。但DNA的结构是怎样的?在遗传上如何发挥作用,这些还不得而知。
3 基因本质的揭开
1911年,莱文发现了两种核酸:脱氧核糖核酸和核糖核酸。脱氧核糖核酸的碱基有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。核糖核酸的碱基中没有胸腺嘧啶,而存在尿嘧啶。莱文发现了核酸的化学组成,但没有确定四种核苷酸以什么结构形成核酸分子。1940年,英国物理学家阿斯特伯里拍摄了一些DNA的X射线衍射照片,这些照片虽然质量不高,但仍然能够证实DNA是由一叠扁平核苷酸构成的。20世纪50年代初,由专门从事晶体结构分析的科学家组成的三个个研究小组继承了阿斯特伯里的工作。在这三个研究小组中,第一小组没有取得什么实质性的结果。第二小组英国科学家威尔金斯领导,制成了高度定向的DNA纤维,因此拍摄的X射线衍射照片非常清晰,进一步证实了阿斯特伯里的推断,测出两个相邻核苷酸的距离是3.4埃。第三小组中有美国生物学家沃森和英国物理学家克里克。沃森在芝加哥大学动物系毕业后,从事X射线对噬菌体影响的研究工作,由于他是“信息学派”的成员,加之年轻有为,被派到英国剑桥大学卡尔迪许实验室深造。在这里沃森与克里克密切合作。这种合作不仅是两个人之间的合作,也是物理学与生物学之间的合作。1953年2月,第三小组在看到威尔金斯小组的照片后,立即进行了研究,几个星期内,就从照片中发现了DNA分子的双螺旋结构。他们的主要结论是:DNA分子结构是一个正常的螺旋。这个螺旋的直径是20埃,沿着螺旋长度,每34埃完成一个螺距,由于两个核苷酸的间距是3.4埃,所以,每一个螺距是由十个核苷酸组成。根据DNA分子的密度推论,这个螺旋由两条核苷酸链构成,是一个双螺旋。四种核苷酸在双螺旋中遵循碱基互补配对原则,即胞嘧啶总是与鸟嘌呤配对,胸腺嘧啶总是与腺嘌呤配对。沃森、克里克把研究成果和威尔金斯小组提供的X射线衍射照片一起发表在1953年4月的英国《自然》杂志上。
DNA双螺旋结构的确定,在生物学中具有划时代的意义:① 解释了双螺旋所有的X射线衍数据。② 从生物学和遗传学角度看,这个模型解释了自催化原理。其提出了DNA分子储存遗传信息的机制,解释了DNA的自我复制和转录。③ 根据模型可以说明,DNA分子既稳定又能突变;新模型还使人们设想DNA如何指导蛋白质分子的合成。DNA双螺旋结构模型为进一步研究遗传信息传递的规律铺平了道路,为基因的复制、转录、表达和调控等方面的研究奠定了坚实的基础,开创了分子遗传学的新纪元。
从基因概念的提出到基因本质的揭开,经历了八十多年的时间。从最初的一个基因符号到基因内容的一一发现,这是科学概念的形式在先,内容在后的一种科学发展模式。通过这个事实笔者得到以下启示:① 形式先于内容,是自然科学发展中的一种常态。不仅生物学可以这样发展,其他学科的发展也有类似情况。比如:数学中的负数和化学中的原子问题。② 形式先于内容,具有激发科学家探究精神的功能。当一个科学概念抛出后,除了一个符号外什么都没有,这激发了人们探索其内容的求知欲,因为形式与内容密不可分。基因提出后,人们就想知道基因的本质是什么?基因是物质的还是精神的?基因在什么地方?基因的功能是什么?结构如何?它的结构和功能之间有什么关系……
参考文献:
[1] (美)迈尔,涂成晟等译.生物学思想发展的历史[M].成都:四川教育出版社,1990:818,843,931.
[2] 李振刚.分子遗传学[M].北京:科学出版社.2008.18.
[3] (美)G.艾伦,梅兵译.摩尔根―遗传学的冒险者[M].上海科学技术出版社.2003.237.
关键词:文化传播;进化;模因论
中图分类号:G206 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2011)032(C)-0173-01
1976年,牛津大学著名的生物学家理查德•道金斯在《自私的基因》一书中指出除了基因之外,还存在另外一种复制因子,就是meme,中文译做“模因”。就像基因在基因库中通过跳来跳去的或卵子自行繁殖那样,模因在模因库中通过在广义上讲可被称为模仿的一个过程进行繁殖。
从那时起,关于模因研究的理论――模因论,就一直力争达到一种科学地位。为了达到这个目标,斯科特•爱特朗已经采取了步骤:初始阶段要通过详细审查说明是否基因与模因可以类比。如果可以类比,将会引发对于具体的因果结构的重要和惊讶发现。如果不能类比,整个研究将被认为非科学的并被丢弃。
一、Meme-as-Germ和Meme-as-Gene
根据类比,模因论文献资料倾向于把它分为两个主要分支:Meme-as-Germ和Meme-as-Gene。“meme-as-germ”是最受欢迎的模因论的解释,它把模因看做是疾病毒剂。这种观点强调对于进化理论的主要问题的回答。传统的社会科学一直认为文化行为必须最终显示为个人受益的行为,而模因论认为得益于进化文化动力学的是模因自己,而不是大脑,个人或团体。
第二种主要方法被称为“meme-as-gene解释”,它对道金斯最初关于遗传和文化传播的类比进行了更深入的研究。这个学派以进化遗传学为科学依据,因此采用类似于“基因视角”的“模因视角”来解释在过去几年模因理论的发展。进化模因论从遗传学得出的主要概念是复制:就像DNA链复制产生相同的自身拷贝一样,模因也可以自我复制实现进化。模因论亦指出,模因自我复制的方式是模仿。
二、复制与模仿
把达尔文的进化思想理论应用于文化研究的思维当然也不是什么新东西。社会生物学及其最新衍生学科进化心理学的目的是缩小自然与社会科学的差距,提出一个在他们的追随者看来早该被称作关于人类研究的达尔文化学说。这些学派把所有人类行为看做是进化的生理和心理变量与自然环境相互作用的结果。因此,人类文化将最终由生物因素上物种的进化历史所决定。这一立场致使社会生物学家和进化心理学家把某些普遍的行为(例如使用避孕用具)看作是人类在石器时代的本能特性与现有的技术环境产生冲突的不适应结果。
社会生物学家和进化心理学家的极端简化言论在某种程度上受文化选择方法的缓和,文化的选择性承认人类物种遗传存在一种双重体系:基因传播和文化传播。在这一方面,模因论可以被认为是一个文化选择的分支,不同于主流的共同进化,它坚持认为复制是文化遗传的机制(而文化选择仅仅假定了一个未指明的遗传机制)。认为文化单元可以像基因一样复制的观点假设那些不连续的、可以确定的单元可在文化内得以区分。模因的立场一直受到主要来自人类学家的批评,他们的理由是:文化构成一个统一的连续体,任何这一体系内的单元都必然是观察者任意的构想。但即使文化单元可适当区分,模因论者坚持把复制作为文化遗传的唯一机制的观点也受到了批评,他们的依据是复制是文化传播过程中的例外而不是规则。
进一步的观点认为,文化传播的进化特性不受遗传机制定义的限定。苏珊•布莱克摩尔强调模仿是人类物种的显著特征。然而,对模仿的限制受到了哲学家大卫•霍尔的质疑,他认为:对于人类物种的限制严重削弱了模因的跨度和兴趣;这种独特的人类模因论不能把一般的进化趋势解释为一些动物家族智力的提高。
正如罗伯特指出,一个潜在的模因科学面临三个主要问题:
(1)是否文化可以被看作是由独立的信息单元传送;
(2)这些单元的传播过程中是否必然要复制;
(3)一种达尔文主义或选择主义的方法是否足以成为文化科学采取的最充足的形式。
模因论对于这三个问题的答案是肯定的。然而,这篇文章中所提到的反对意见不过是这样一个不恰当问题提出的并发症的样本。在将来,如果模因论想要达到真正的科学地位,模因论者必须应对这些并发症、修改和重新定义他们目前对模仿和复制的概念,以提出一个一致的理论。
作者单位:西安工业大学外国语学院
参考文献:
[1]Blackmore, S. The Meme Machine[M].Oxford: OUP,1999.
[2]Dawkins,R. The Selfish Gene [M].New York: OUP,1976.
关键词:应用型本科;园林植物遗传育种学;教学改革
基金项目:吉林农业科技学院2016年高等教育教学改革研究课题项目(项目编号:110092016019)
中图分类号:S68-4 文献标识码: A DOI编号: 10.14025/ki.jlny.2016.20.041
应用型本科是以培养技能型人才为主的本科教育,面向区域经济社会,以学科为依托,以应用型专业教育为基础, 以社会人才需求为导向,培养高层次的应用型人才。时下正处于本科教育应用转型的大背景下,如何高效高质量地完成转型,实现高层次应用型人才培养的目标,成为各高等院校研究探索的首要任务。借鉴德国和瑞士先进的经验,不难发现课程的改革是本科院校转型发展的核心和切入点,构建应用型课程是实现本科院校快速转型的有效路径。
《园林植物遗传育种学》是园林专业本科生的一门重要专业课,通过该课程的学习,使学生了解园林植物遗传和变异的基本规律,懂得如何对园林观赏植物进行品种培育和品种研究,从而为今后从事园林专业工作打下基础。随着遗传学研究的深入、植物育种技术的迅猛发展,以及园林植物新品种的不断涌现,《园林植物遗传育种学》课程的知识体系不断地发生变化,因此该课程的教学难度增加,给教师带来了极大的挑战。本课程组结合该校实际情况从教材、教学内容与方法、实践教学、课程考核等几个方面进行了教学改革初步探索,以期更好地实现教学及人才培养目标。
1精选教材
《园林植物遗传育种学》发展迅速,课程内容大大增加,需选用配套的、合适的新版教材,以避免知识内容的陈旧。选取的教材应该具有系统性、科学性、先进性和实用性。在教学中还应把教材中没有的、最新国内外研究进展讲授给学生,以补充和完善教学内容。此外再以经典教材为参考,如程金水主编的《园林植物遗传育种学》、戴思兰主编的《园林植物遗传学》和《园林植物育种学》等,这些优秀的教材可为教师和学生提供必要的参考,满足专业需要。
2优化调整教学内容
《园林植物遗传育种学》课程实质是由《园林植物遗传学》和《园林植物育种学》两门课程合并而来。两门课程分开来讲授,通常先开设遗传学再开设育种学,这种模式易于造成课程整体的知识点不连贯,从而造成学生学习脱节。在育种学的学习与实践过程中,学生不能很好的应用所涉及的遗传学规律,必然造成一些知识的重复性学习。合并后的课程知识连贯性好,但存在内容多学时少的问题,因此根据学生的知识基础与背景、授课学时,结合本校实际情况,适应转型发展的需要,由课题组进行教学内容论证,逐章逐节对教材内容进行合理的取舍与组织,更好地整合课程内容使教学内容精简优化。如该课程的遗传学部分知识内容与高中生物学存在交叉和重复,为避免学生的重复学习,可减少相关内容的学时分配,教学中要以高中生物学为基础,并改变教学侧重点。孟德尔遗传规律在大学阶段的教授需要让学生掌握“发现问题分析问题试验验证”这种严谨的科研方法与态度,而规律本身内容可通过实验实践来让学生掌握。另外,遗传学与育种学的部分知识内容也要有机地结合,如基因突变、染色体变异与诱变育种相结合,染色体数目变异与倍性育种相结合,既避免重复学习,又防止知识脱节现象的发生。
3改良教学方法
教学中需从传统教学方法的应用中总结经验和不足,根据《园林植物遗传育种学》课程的特点,精心进行教学设计、教学手段与方法的选择。如将现代化教学手段与传统教学手段相结合,在使用多媒体的同时使用黑板辅助教学。根据具体教学内容采用适宜的教学方式,不同的教学内容选取不同的教学手段与方法,可以有效提高教学质量和教学效果。针对一些未能设置实验课的内容,若要学生掌握其相关技能,教学方法应用得当尤为重要,如在课堂讲解的同时,结合启发式教学、组织学生分组讨论等方法,或使用多媒体视频、动画直接展示,都能获得较好的教学效果。虽然《园林植物遗传育种学》课程的教学需要多种教学手段与方法共同使用,但仍需要以多媒体教学为主导,因此多媒体课件的质量十分重要。课件制作既要避免电子书式课件,又要防止课件太过花哨,缺少主题。
4注重培养实践应用能力
为了更好地培养学生实践能力和创新能力,将该课程的实验部分设置为独立实验,与之前相比,实验课程的学时和学分增加了,相对重要性大大提高,学生的学习主动性增强。课题组合理分配了实验学时,如遗传实验和育种实验比例合理,验证实验、设计实验和综合性实验比例合理,并针对开课学期的不同合理设计实验内容。实验教学的目的是通过有限的实验课使学生掌握相关实践技能,提高学生动手与创新能力,因此要从提高学生学习和动手的兴趣出发,改革实验教学。让学生从实验课的准备阶段就开始动手参与,如实验材料的采取,药品配制等;打破学时限制,除完成课上的操作部分,还应让学生完成后期效果的观察与记录,如杂交、选种等。除上述改革外还应注意该课程为“园林植物遗传育种学”,这是一门以园林植物为研究对象的科学,因此,无论是理论课堂的举例还是实验课堂的实验材料都要尽量以园林植物为主,从而提高学生学习兴趣,取得更好的教学效果。
5改进课程考核的方式
通过考核方式的优化,达到综合考核学生知识、能力及素质的目的。以往教学中对学生的考核主要是将平时表现、实验报告、小考、作业和期末考试等项目综合得出的成绩,以此反映学生对课程知识掌握情况,这种方式不能客观地评价学生的实践能力,因此要进行重要实践技能的操作考核,特别是独立实验课的考评更要包括实验原理与实际操作两个方面的考评,从而正确评价学生的学习情况。通过改进课程考核的方式,亦可促使学生对实践的重视,从而实现应用型专业人才的培养。
综上所述,《园林植物遗传育种学》课程教学改革的终极目的是为我国园林事业的发展培养高层次的专业技术人才。该课程的教学改革是本科教育应用转型的需要,是专业发展的需要,需要在不断的实践过程中逐步提升和完善。学生的综合能力(动手能力、创新能力以及解决实际问题的能力)仍有很大的提高空间,这需要在今后的教学中不断进行课程教学改革的探索和总结,以充分开发学生的综合能力。相信《园林植物遗传育种学》的教学改革对园林花卉事业的发展,必定会起到积极的促进作用。
参考文献
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