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【关键词】药用植物;代谢组学;功能基因组学
代谢组学是对生物体内代谢物进行大规模分析的一项技术[1],它是系统生物学的重要组成部分(如图1所示),药用植物代谢组学主要研究外界因素变化对植物所造成的影响,如气候变化、营养胁迫、生物胁迫,以及基因的突变和重组等引起的微小变化,是物种表型分析最强有力的工具之一。在现代中药研究中,代谢组学在药物有效性和安全性、中药资源和质量控制研究等方面具有重要理论意义和应用价值。另外,在对模式植物突变体文库或转基因文库进行分析之前,代谢组学往往是首先考虑采用的研究方法之一。目前,国外已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子,这为与重要性状相关基因功能的阐明和选育可供商业化利用的转基因作物奠定了基础。
图1系统生物学研究的四个层次略
目前,还有许多经济作物的全基因组测序计划尚未完成,由于代谢组学研究并不要求对基因组信息的了解,所以在与这些作物有关的研究领域具有更大的利用价值,这也是其与转录组学和蛋白组学研究相比的优势之一。代谢组学研究涉及与生物技术、分析化学、有机化学、化学计量学和信息学相关的大量知识,Fiehn[2]对代谢组学有关的研究方向进行了分类(见表1)。
1代谢组学研究的技术步骤
代谢组学研究涉及的技术步骤主要包括植物栽培、样本制备、衍生化、分离纯化和数据分析5个方面(见图2)。
1.1植物栽培
对研究对象进行培育的目的是为了对样本的稳定性进行控制,相对于微生物和动物而言,植物的人工栽培需要考
表1代谢组学的分类及定义略
虑更多的问题,如中药材在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理状态的变化,而这些非可控及可控双重因素的影响很难进行精确的控制,从而影响药用植物代谢组研究的重复性。为了解决以上问题,推荐使用大容量的培养箱[3],定时更换培养箱中栽培对象的位置,以及使用无土栽培技术等,FukusakiE[4]利用无土栽培系统将水和养分直接引入植物根部,并且对供给量进行精确地控制,大大提高了实验的重复性。
1.2样本制备
为了获得稳定的实验结果,样本制备需要考虑样本的生长、取样的时间和地点、取样量以及样本的处理方法等问题,并根据分析对象的分子结构、溶解性、极性等理化性质及其相对含量大小对提取和分离的方法进行选择,逐一优化试验方案。MaharjanRP等[5]用6种方法分别对大肠杆菌中代谢产物进行提取,发现用-40℃甲醇进行提取的效果最好。现阶段代谢组学的分析对象主要集中在亲水性小分子,尤其是初级代谢产物,气相色谱质谱联用(GCMS)和毛细管电泳质谱(CEMS)联用都是分析亲水小分子的重要技术。FiehnO等[6]使用GCMS对拟南芥叶片中的亲水小分子进行了分析,发现酒石酸半缩醛、柠苹酸、别苏氨酸、羟基乙酸等15种植物代谢物。
1.3衍生化处理
对目标代谢产物的衍生化处理取决于所使用的分析设备,GCMS系统只适合对挥发性成分进行分析,高效液相色谱法(HPLC)一般则使用紫外或荧光标记的方法对样本进行衍生处理,BlauK[7]对酯化、酰化、烷基化、硅烷化、硼烷化、环化和离子化等衍生方法进行了详细的说明。然而离子化抑制常使得质谱分析过程中目标代谢产物的离子化效率降低,这主要是由于分离过程中污染物与目标代谢物难以完全分离开所引起的,优化色谱分离时间可有效缓解离子化抑制,然而在实际操作中不可能对上百种代谢产物的分离时间进行优化,利用非放射性同位素稀释法进行相对定量可以很好的解决该问题。HanDK等[8]应用同位素编码的亲和标记(ICAT),根据经诱导分化的微粒蛋白及其同位素标记物的峰面积比,对该蛋白的相对含量进行分析。ZhangR等[9]发现同位素标记技术也可用于代谢组学的研究,但是却存在许多困难。活体的同位素标记方法对于同位素的洗脱是一种非常有潜力的技术,目前关于使用34s的研究已有报道[10]。
图2代谢组学研究技术步骤略
1.4分离和定量
分离是代谢组学研究中的重要步骤,与质谱联用的色谱和电泳分析技术都是使用紫外或电化学检测的方法进行定量,其对代谢组数据的分辨率与定量能力都有一定的影响。TomitaM等[11]总结了各种色谱分离法中经常遇到的技术问题,认为毛细管电泳和气相色谱法由于具有较高的分辨率,已成为代谢组学研究的常规技术手段之一,液相色谱因其适用范围广,应用也相当广泛。
TanakaN等[12]用高效液相色谱对样品进行分离,认为使用硅胶基质填充毛细管整体柱的高效液相色谱系统具有用量少、灵敏性高、低压降高速分离等优势;同时,TolstikovV等[13]也使用硅胶填充的毛细管液相色谱方法对聚戊烯醇类异构体进行了有效分离,获得了很好的分辨率。TanakaN等[14]发现二维毛细管液相色谱法的分辨率比传统的高效液相法高10倍。相对于其他色谱方法而言,超临界流体色谱(SFC)是分离疏水代谢物最具潜力的技术之一,特别适用于分离那些传统HPLC难以分析的疏水聚合物,BambaT等[15]通过SFC对聚戊烯醇进行分析,证明其具有较好的分离能力。针对质谱中存在的共洗脱现象,HalketJM等[16]发明了一种适用于GCMS的反褶积系统,对共洗脱的代谢产物进行分离与识别。AharoniA等[17]使用傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICRMS)对非目标代谢物进行分析,快速扫描植物突变样品,获得了一定量的代谢成分。
与分离一样,定量能力也是代谢组学研究中的重要因素,其取决于各分析系统的线性范围。傅立叶转换核磁共振(FTNMR)、傅立叶红外光谱(FTIR)以及近场红外光谱法(NIR)等技术由于敏感性低,重复性受共洗脱现象影响较小也被用于检测中。近年来,FTNMR技术常被用于植物代谢组的指纹图谱研究[18],但由于NMR分析需要样品量较大,分析结果易受污染,GriffinJL[19]发现将统计模式识别与FTNMR相结合可以对代谢物进行全面分析。除FTNMR之外,FTIR通过对有机成分的结构进行常规光谱测定,也可适用于代谢组学的研究,特别是应用于构建代谢组学的指纹图谱。尽管它不能对代谢物进行全面分析,但对具有特定功能的组分却有很好的定量效果,对从工业及食品原材料中分离的代谢混合物也可以进行全面分析,目前,已有学者将其成功地应用于拟南芥[20]和番茄[21]代谢产物指纹图谱的研究中。
1.5数据转换
为阐明代谢物复杂的线性或非线性关系,需要进行多变量分析,将原始的色谱图数据转换为数字化的矩阵数据,通过对色谱峰鉴定和整合从而进行多变量分析。由于环境等因素的干扰,光谱数据需要通过适当的数据加工方法进行校正,包括:①降低噪声;②校正基线;③提高分辨率;④数据标准化。JonssonP等[22]报道了一种关于GCMS色谱图数据处理的方法,可以对大量代谢产物样品进行有效的识别。
2代谢组学中的数据分析方法
2.1主成分分析法(PCA)
主成分分析法,将实测的多个指标用少数几个潜在的相互独立的主成分指标线性组合来表示,反映原始测量指标的主要信息。使得分析与评价指标变量时能够找出主导因素,切断其他相关因素的干扰,作出更为准确的估量与评价。PCA数据矩阵通常来自于GCMS,LCMS或CEMS,因此将目标代谢产物作为自变量,而相应的代谢产物含量作为因变量,定义与最大特征值方向一致的特征向量为第一主成分,依此类推,PCA便能通过对几个主要成分的分析,从代谢组中识别出有效信息。主成分分析有助于简化分析和多维数据的可视化,但是该方法可能导致一部分有用信息的丢失。
2.2层次聚类分析法(HCA)
层次聚类分析法也常用于代谢组学的研究中,它是将n个样品分类,计算两两之间的距离,构成距离矩阵,合并距离最近的两类为一新类,计算新类与当前各类的距离。再合并、计算,直至只有一类为止。进行层次聚类前首先要计算相似度(similarity),然后使用最短距离法(NearestNeighbor)、最长距离法(FurthestNeighbor)、类间平均链锁法(BetweengroupsLinkage)或类内平均链锁法(WithingroupsLinkage)四种方法计算类与类之间的距离。该方法虽然精确,但计算机数据密集,对大量数据点进行分析时,更适合选用K均值聚类法(KMC)或批次自组织映射图法(BLSOM),而HCA适合将数据转换为主成分后使用。
2.3自组织映射图法(SOM)
神经网络中邻近的各个神经元通过侧向交互作用相互竞争,发展成检测不同信号的特殊检测器,这就是自组织特征映射的含义。其基本原理是将多维数据输入为几何学节点,相似的数据模式聚成节点,相隔较近的节点组成相邻的类,从而使多维的数据模式聚成二维节点的自组织映射图。除PCA和HCA外,SOM同样也可应用于包括基因组和转录组等组学研究中[23]。最初SOM计算时间长,依靠数据输入顺序决定聚类结果,近年来SOM逐渐发展成为不受数据录入顺序影响的批次自组织映射图法(BLSOM)。由于BLSOM可以对类进行调整,且有明确的分类标准,优化次序优于其他聚类法,已在基因组学和转录组学数据分析中得到广泛的应用。
2.4其他数据采矿方法
除PCA、HCA和SOM外,很多变量分析方法都可用于植物代谢组学的分析。软独立建模分类法(SIMCA)是利用主成分模型对未知样品进行分类和预测,适合对大量样本进行分析;近邻分类法(KNN)和K平均值聚类分析法(KMN)也可用于样品分类;主成分回归法(PCR)或偏最小二乘回归法(PLS)在某些情况下也可使用。然而到目前为止由于还没有建立一个标准的数据分析方法,代谢组学仍然是一门有待完善的学科。
3代谢组学在药用植物中的实践
植物药材来源于药用植物体,而药用植物体的形态建成是其体内一系列生理、生化代谢活动的结果。植物代谢活动分为初生代谢和次生代谢,初生代谢在植物生命过程中始终都在发生,其通过光合作用、柠檬酸循环等途径,为次生代谢的发生提供能量和一些小分子化合物原料。次生代谢往往发生在植物生命过程中的某一阶段,其主要生物合成途径有莽草酸途径、多酮途径和甲瓦龙酸途径等。植物药材含有的生物碱、胺类、萜类、黄酮类、醌类、皂苷、强心苷等活性物质的绝大多数属于次生代谢产物,因此探讨次生代谢产物在药用植物体内的合成积累机制及其影响因素,对于提高活性物质含量、保证药材质量、稳定临床疗效等具有重要意义。孙视等[24]通过对银杏叶中黄酮类成分积累规律的研究,提出了选择具有一定环境压力的次适宜生态环境解决药用植物栽培中生长和次生产物积累的矛盾。王昆等[25]以人参叶组织为材料,总结了构建人参叶cDNA文库过程中存在的一些关键问题和应采取的对策,为今后关于人参有效成分如人参皂苷的生物合成途径及其调控的基础研究提供技术参考和理论指导。最近,美国加利福尼亚大学伯克利分校的Keasling等[26]采用一系列的转基因调控方法,通过基因工程酵母合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸,其产量超过100mg/L,为有效降低抗疟药物的成本提供了机遇。经过长期的研究积累,人们对代谢途径的主干部分(为次生代谢提供底物的初生代谢途径)已经基本了解,例如酚类的莽草酸途径,萜类的异戊二烯二磷酸(IPP)途径等。被子植物中一些相对保守的次生代谢途径也得到了很好的研究,如黄酮类、木质素的生物合成与调控。然而,对次生代谢最丰富最神奇的部分——特定产物合成与积累的过程,还所知甚少[27]。
4展望
近年来,代谢组学正日益成为研究的热点,越来越多的人已加入到代谢组学的研究中。随着代谢组学积累的数据和信息量的增大,其在药用植物学各个领域的应用价值也与日俱增。它将不仅能对单个代谢物进行全方面的分析,更能寻找其代谢过程中的关键基因、通过代谢指纹分析对药用植物进行快速分类、进一步研究药用植物有效成分代谢途径以及环境因子对植物代谢和品质的影响与调控机制。
然而依据传统中医药学和系统生物学的指导思想,目前急待解决的是中药种质资源的代谢组学研究和中药体内作用的代谢组学研究。同时,代谢组学在分析平台技术、方法学手段和应用策略等方面相对于其他组学技术还需要进一步发展和完善,还需要其他学科的配合和介入。相信随着更有力的成分分析设备的使用及代谢组数据库的建立,药用植物代谢组学将对中医药学产生深远的影响。
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中图分类号:R2-04 文献标识码:A 文章编号:1005-5304(2013)09-0096-02
中药专业普通专科教育以培养高素质技能型中药人才为目标,野外实践教学在实现这一目标中具有校内课堂教学和实验教学不可替代的作用。为进一步提高野外实践教学的质量,适应社会经济发展对中药人才的需求,本校积极对传统的单一野外中草药识别采集模式进行改革,代之以综合药用植物标本采集、中药基源分类、形态鉴定、中草药资源保护开发利用等项目的新型实践教学活动,在连续5年的实践教学中收到了很好效果,得到了同行和用人单位的好评,毕业生就业率稳步提升。现就该专业野外综合实践教学改革总结如下。
1 因地制宜,选择优质实习点
寻找合适的野外实习点,是提高实践教学质量的核心。本校地处滇西,背靠闻名世界的动植物科学考察基地――高黎贡山。高黎贡山是南北走向、绵延600多公里的横断山脉。由于其跨越5个纬度,海拔高差3000多米,平均温差高达20多度的特点,形成了“一山分四季,十里不同天”的立体多样气候环境。因而成为我国生物多样性最丰富的地区,有高等植物4897种,
动物2389种,特有植物434种。境内目前已查明的中草药品种有1200多种,已知有较高药用价值的有430种,为全国少有的中草药资源富集区,是中国国家级自然保护区、世界生物圈保护区,有着“世界物种基因库”、“世界自然博物馆”的美誉,是所有动植物学家向往的野外“研究室”。因此,本校充分利用这一得天独厚的野外实习条件,将高黎贡山国家级白花岭保护站作为中药专业野外实习的总基地,以这个面为中心,沿途增加中药材种植发展有限公司,保山机场齿瓣石斛、铁皮石斛种植基地,云南省农业科学院热带作物研究所药用植物引种园等实习点,这样点、线、面结合形成了一个优质的综合实践教学场所。
本校从2008年首届中药专业班开始,每年到高黎贡山进行野外实践教学。并与保护区一道共同建设,经过多年的努力,于2011年高黎贡山保护区实习基地被云南省教育厅评定为省级校外示范实习基地,从而确保了本校中药专业野外实习的顺利进行。
2 因时制宜,选择恰当的实习时间
如何选择适宜的实习季节和学期,直接影响到中药野外综合实践教学的效果。高黎贡山的雨季一般为每年6-10月。为提高实习效果,采集到绝大多数带花完全标本,我们通过分析比较,将实习时间由原来的每年7月份改为5月份。因5月雨量较少,为多数药用植物花期,是药用植物鉴别的最佳时期,这样既避开了雨季的不安全和不便,也利于药用植物的鉴别。
为了野外综合实践教学的顺利完成,我们将之前第1学年第2学期进行的计划调整为第2学年第4学期,因此时学生已完成中药学、药用植物学、中药鉴定技术、中药资源学、药用植物栽培技术等相关课程学习,从而使单一的药用植物学野外实践教学变成了以上课程的综合野外实习,丰富了实习内容,提高了实习的效率。
3 因人制宜,做好学生的实习教学
以学生为中心,以达成学生有效学习为目的,我们对中药专业野外实习的组织和实施做了如下探索。
3.1 开展实习前动员和培训
实习前,本校实习工作领导小组结合下发给学生的《高黎贡山野外综合实践教学指导手册》,对实习学生进行充分动员,强调野外实习目的、意义、日程安排、考试等内容,并特别强调实习中的注意事项、纪律要求。与此同时,专业教师则对实纲、实习内容全面讲解。布置学生阅读中草药图谱、云南天然药物图鉴等相关书籍。分组带领学生到校内百草园进行药用植物采集、标本制作专业培训,并进行药用植物强化识别训练,以掌握各类中草药的鉴别要点。同时指导学生准备野外综合实践教学器材,包括相机、GPS、枝剪、小锄头、采集袋、记录签、便携式烘箱、标本夹、吸水纸(报纸)、台纸、定名签、针、线、胶水等。
3.2 改革实践教学内容
扩充实践教学内容,改革过去仅限于100种左右药用植物识别的简单方式,融合中药鉴定学、中药资源学、药用植物栽培技术等课程的实践教学内容,形成综合实践教学模式。完成三方面的综合教学实践任务:①药用植物学和中药鉴定技术。药用植物标本的采集、观察、比较鉴定;采集具有典型特征的药用植物,从植物分类学特征上观察药用植物的根、茎、叶、花、果实等器官,并重点观察药用部位器官形态特征,通过对不同种类药用植物的观察,深化植物分类知识;为保证各小组药用植物鉴别实习效果,采取现场讲解和返回后集中所有同学采集的药用植物,利用检索表、植物志、药用植物图鉴进行统一鉴定确定品种,教师详细讲解,学生轮流查看的方式。统一鉴定后,学生自行选择所需药用植物标本挂牌后压制,进而放入50 ℃烘箱烘烤,次日整理和更换吸水纸,烘干后上台纸,填写定名签和记录签,最后过塑保存。此项目要求掌握150种左右常见药用植物科属,熟悉其形态特征、药用部位及功效。②中药资源学。观察不同海拔高度、不同生态环境中药用植物种群类型、结构、分布、建群种;运用样方调查的方法,设置选择样地、样方,通过规范记录样方中的各种植物种类和数量,推算出区域内重点药用植物蕴藏量、经济量、年允收量,提出重点药用植物资源保护开发利用的意见和建议,并撰写重点药用植物调查报告。③掌握重楼、齿瓣石斛等药用植物生物学特性,生长发育所需的环境条件,并在此基础上掌握选地、整地、种苗繁育技术、田间管理、病虫害防治、采收初加工等栽培技术措施,并撰写某种药用植物栽培管理技术。
3.3 改革考核,综合评价
传统的中药野外实践教学考核只要求鉴别中草药的种类。达不到全面综合考查学生实践效果的目的。为此,我们增加了考核的内容和步骤。考核内容除中药学、药用植物学相关知识及技能点外,还涵盖了中药鉴定学、中药资源学、药用植物栽培技术3门课程的相关知识及技能点。
考核的步骤与方法:①现场考试,从150种药用植物中,选出50种代表药用植物并排序,学生在答题卡上填写相应序号药用植物的植物名、科属、入药部位、功效,满分100分,占该课程实践技能的20%;②标本评展,实习结束后,每人上交压制的2份标本,专业老师对学生压制标本进行评分,占中药鉴定课程的10%,对学生上交制作的标本评展,评出“认药之星”,给予一定物质奖励,激发学生的学习积极性。③撰写中药专业高黎贡山重点药用植物调查报告,占中药资源学实践成绩的20%。④撰写某种药用植物栽培管理技术论文,占该门实践课程成绩的10%。
4 拓展内涵,提升效果
4.1 编写高黎贡山常用中草药图谱
针对学生缺乏与实习相适应图谱的问题,我们选取了高黎贡山区域常用中草药300余种。编写成《高黎贡山常用中草药图谱》。该图谱充分体现突出药用植物鉴别要点、区域用药特色,具有实用、简便易携带的特点。
4.2 不断积累腊叶标本
将学生制作的腊叶标本进行过塑、封存,教师将部分标本作为教学素材,增进了学生学习兴趣,同时将部分标本充实到本校高黎贡山民族医药馆,增强了学生的主人翁意识及成就感。
4.3 校内百草园中引种、驯化药用植物
实习结束时,引种驯化部分药用植物,目前我们已成功引种栽培滇重楼、云黄连、珠子参、齿瓣石斛、铁皮石斛等名贵中草药,现正在通过驯化,探索大规模推广种植经验,这不仅丰富了百草园药用植物种类,便于学生日常学习,也为教师科研搭建了良好的基础性平台。
4.4 发挥高黎贡山实习基地对外交流的功能
高黎贡山保护区实习基地除承担本校中药专业野外实习教学外,还吸引了其他院校的学生前来交流学习。2012年8月,香港浸会大学中医药学院中药专业8名师生到本校进行短期学习交流,通过实训老师在高黎贡山实习基地的带教,使学生充分掌握了药用植物科属鉴定、标本采集制作、药材种植、采收加工等中药专业知识,拓宽了该校中药专业学生视野。这对扩大本校中医药教育对外交流与合作,起到积极作用。
关键词 药用植物栽培学 实验教学 改革
药用植物栽培学是研究药用植物生长发育规律,产量、质量构成因素及其与环境条件相适应的调控途径,以其理论和技术来指导,使药用作物获得高产、优质、低耗、高效的一门科学[1]。药用植物栽培学就是指导药材生产的学科,实践性强,实践教学的过程能强化学生对理论知识的理解和运用,并培养其创新能力和实践能力。实验教学是药用植物栽培学必不可少的教学环节。实验教学作为高等学校教学体系的重要组成部分,在加强学生的实践能力和创新意识,实现知识、能力、素质协调发展方面一直发挥着重要作用[2]。
实验教学是大学教育中非常重要的环节,对培养学生的动手能力、创新能力及综合素质的提高都起着至关重要的作用[3]。实验教学水平的高低,直接关系到所培养的人才是否具备从事相关科研的能力,毕业后能否适应社会发展的需求[4]。
广东药学院中山校区 2004 年建成,并新开设了中草药栽培与鉴定和中药资源与开发两个中药学本科专业。药用植物栽培学分别是上述两专业学生的必须课和专业限选课,与之发生关系的学科是很多的,有植物形态解剖、生理生化、生态群落、生物学、农业气象、土壤学、农业化学、农业昆虫学、植物病理学等。上述学科各自从药用植物的某一方面,或者从生活环境的某一侧面研究与药用植物生产有关的问题[4]。然而,我校为历史悠久的药学院校,没有农学背景,该科的实验教学基本上按照传统的教学模式,将实验教学看做是验证课堂理论的方法和辅助手段。这种传统的实验教学体制和内容重在培养学生的基础实验技能,并通过实验验证,巩固所学的理论知识,在这些方面无疑具有一定的作用。但同时也存在着明显的不足,主要表现为:(1)实验教学多为验证式、被动式,实践性不强,学生能力培养及素质教育没有得到很好体现;(2)学生虽然参加了实验教学中的各项技能学习,但多处于被动地位,该课程在学生简单看来就是“种地”,学生对该学科的认识不够深入和科学,导致学生在这方面的创新精神与实践能力不太愿意表现出来;(3)又因校区建设是逐步完善,实验室投入不够多,基础不够坚,学生多为4 至 6 人一组开展实验,独立操作的时间相对较少;(4) 我校开设药用植物栽培学实验整体时间短(32学时),但中药材生长的周期长,个别生产性实验结果不能及时、客观地反映出来,影响实验教学结果。以上这些弊端导致培养的学生知识面窄,动手能力和解决实际问题的能力不强。
针对上述问题,结合我校人才培养目标,现就药用植物栽培学实验课的改革谈一些体会。实验教学内容改革要符合当前形势发展的需要,发挥地方优势和专业特色,培养出更多“宽口径、厚基础、重实践”的高素质人才。
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优化实验教学课程内容实验教学内容体系的改革必须处理好其与理论教学体系及试验方法的关系,对实验教学内容体系进行整体优化,使创新意识和实验能力的培养贯穿于实验教学的全过程,提高学生综合素质。
我们药用植物栽培学实验内容有实验一:种子活力、发芽率、发芽势测定;实验二:种子含水量、净度、千粒重测定;实验三:种子处理和播种育苗实验;实验四:枸杞扦插实验;实验五:药用植物植株性状考察。其中,有两个是在室内完成的验证性实验,有 3 个是在室外完成综合性实验,但是这些还不足以满足目前的学生培养需求,应对内容进行更新、充实,减少验证性实验内容,增加部分综合性试验内容。且药用植物栽培学理论课教材是杨继祥主编中国农业出版社出版的,该教材主要偏重于北方药用植物,而对南方药用植物讲述甚少。面对上述问题,我们尝试把实验一和实验二合并,增加一个广金钱草种子质量标准研究的实验;把枸杞枝条扦插实验,改成不同生长调节剂处理广藿香扦插的设计性实验;将种子处理和播种实验与药用植物植株性状考察这两个实验联系起来,药材种子播种后,学生参与日常的栽培管理,让学生根据给定的实验任务自行设计方案,独立进行操作并得出结果。
根据药材生长的周期长,我们把实验内容的顺序按照时节调配。
在春季三月份,即开学初,做扦插实验和播种实验;中间做药材种子质量标准实验;学期末做药用植物植株性状考察。
学生普遍认为设计性实验更具有挑战性,学生上实验课的积极性有所提高,完成后更具有成就感。我们经过询问和调查对比发现,学生产生了从被动式灌输学习方式到主动寻知求学学习理念的转变。
2 强化实验场所建设
实验室、校内外实习基地等是实践教学的物质条件,就其功能而言,不只局限于技能的传授和实践能力的培养,其更大的作用在于成为师生科技创新的基地。因此,提高实验室仪器设备水平,完善实验教学的政策、体制保障,是充分发挥实验教学作用的前提,也是使之与高等学校教育目标相适应的必由之路[5]。
我校以教学评估为契机,充分发挥地理优势,在校内建设药圃占地10 余亩,包括野生药用植物保护区和药用植物栽培实验区。野生药用植物保护区是未经开垦的小山丘,所有植物都是自然生长的,经调查约有 210 种药用植物,可以丰富学生视野,让学生“看得见,摸得着”,认识更多的药用植物,为学生调查药用植物生长环境提供场所;药用植物栽培区约 4 亩,由相关专业老师指导,校中药协会实践部负责管理,学生可申请一定面积的土地,在自己申请的“一亩三分地”里耕作种植药材。在教师的指导下定人定区,栽培和管理药用植物,如小驳骨、水茄、广藿香、广金钱草、何首乌等种植面积较大,还有其他药用植物,使学生在劳动中自觉观察比较自己的劳动成果,培养劳动的自觉性和责任感。中药协会实践部形成“老”会员对“新”会员进行“传”、“帮”、“带”的格局。在此过程中,教师随时帮助学生解决栽培管理中出现的各种问题。同时为了进一步强化专业技能培养,以便更好地为将来学习,为工作服务,教师还要求学生善于进行知识积累,二年的管理要求有详细的工作记录,这些记录对以后专业课的学习有很好的帮助。
3
结合南方特色中药材生产实际,以药材 SOP 操作规程模拟中药材 GAP 种植中药资源是中医药事业和天然药物产业发展的基础,也是彰显中医药国际竞争的优势所在。但长期以来,我国中药资源无序和不加节制的开发利用,导致野生药用植物资源逐年减少,部分资源紧缺,甚至濒临灭绝[6]。种质资源是中药材生产的源头,是优质中药材形成的物质基础,故种质的优劣对中药的质量和产量有决定性作用[7]。
在资源相对较紧张、生态环境日益恶化的今天,实行中药材GAP种植,对于保证中药资源的可持续利用,提高栽培药材质量,改善生态环境和实现人与自然的和谐共处有着巨大而深远的意义,前景十分广阔,发展也越来越迅速。
而作为中草药栽培与鉴定和中药资源与开发两个中药学本科专业的学生势必了解、学习和研究中药材GAP种植的相关知识和实践。
我们选定具有一定研究基础和代表性的“十大广药”之一广藿香作为实验研究对象,学生开展广藿香的GAP 种植实验。
要求学生参照刘大会等(
2009)中药材仿生栽培的基本步骤,做一定的改动完成实验,具体步骤:(1)文献资料调研,全面了解选定药用植物的已研究资料,通过文献资料检索, 写出该种药用植物的综述报告, 作为对该中药材进行GAP 种植的基础背景资料。(2)产地生态环境和物种生物学特性研究,调研选定对象的野生资源分布区及其生长有优势优质种群的原生环境的自然生境条件,并对原生环境中药用植物的生物学特性进行调研。在上述调研和资料收集的基础上写出研究报告,为制定药用植物GAP 种植的技术方案提供依据。(3)药用植物的生理学基础研究,对药用植物野外分布的优势优质种群开展定点跟踪调查,并在同前人研究结果比较的基础上写出研究报告,进一步为制定药用植物GAP 种植模式提供技术支撑。(4)生产基地的选址,在文献资料收集和实地调研的基础上,遵循可操作性原则,进行中药材 GAP 种植基地的选址。(5)制定栽培技术方案,在前面工作的基础上,进一步参阅农作学、园艺学、设施农业学、植物生理学、生态学、植物保护学、肥料学、药用植物学、药用植物栽培学、植物化学和管理学等各专业学科的相关知识,结合种植基地的自然和社会条件,因地制宜、注重实效,设计并制定该种药用植物 GAP 种植的具体技术方案与实施方案。(6)基地建设和栽培技术的实施与完善,根据上述药用植物 GAP 种植的技术方案,开展种植基地的建设,建立药材田间复合生态系统,实施各栽培技术方案,验证并记录栽培技术方案各步骤的实施效果,并根据田间实施效果对栽培技术方案进行不断补充、修改和完善。同时,从药材质量、产量及经济和生态等方面进行中药材 GAP 种植的效益分析,制定药材生产的质量标准,并撰写栽培技术总结报告。(7)操作规程(SOP)的制定,根据上述 6 个操作步骤,制定出中药材GAP 种植的标准操作规程(SOP)[8]。
在整个过程中,学生学习和应用成为一个统一的过程。
在学习中,学生更能体会到中药材 GAP 种植是今后中药材生产的主要模式,在掌握实验技术的同时,科研实验能力和论文写作水平也相应提高。开展广藿香的 GAP 种植实验后,学生从试验设计到实验实施直到撰写论文独立完成该课题,可以激发学生的探求心理,培养科学研究意识,同时应用实验技术和方法进行科学研究的能力也得到了提高。
实验结束后组织学生总结分析,提出实验中遇到的问题、发现的现象,共同讨论和总结,不仅提高了学生的知识水平,拓宽了学生的视野,而且为今后研究工作打下基础。
这种结合实践的讨论,对于引发学生的科研兴趣和求知欲也很有好处。通过开展像广藿香的 GAP 种植这种研究式综合性实验,学生人人都可参与,人人都必须参与,解决在实验室开展实验时,学生“人为满患”的问题,有利于充分发挥学生的主观能动性,有利于培养学生创造性思维和独立工作的能力。
4
结合大学生创新性实验计划,引导学生开展药用植物栽培学科学前沿的研究创新性计划实施的主体是学生,一个创新项目的实施,往往一个人是难以完成的,更多的是依靠集体智慧,需要一个稳定高效的团队[9]。
例如,我们考虑到苦参生长的周期长,在组建科研小团队时,成员一、二、三年级学生都有,经过查阅文献,了解中药栽培学的科学前沿,结合本校实际,在实验条件满足的情况下,我们选定研究课题为《苦参的引种实验》。实验过程中,老师对学生进行的每一项工作进行跟踪监控,及时解决学生遇到的问题,定时检查学生项目的完成情况,对于学生取得的结果,要求学生及时地分析数据,讨论实验结果的科学性。一方面培养了学生的创新思维、提高了学生的综合能力;另一方面也可以解决药用植物栽培学实验教学中实验时间的限制,学生可以有更大空间学习和研究药用植物栽培学的科学前沿,可以更好地提高学生的专业水平和科研能力。
总之,以上
4 种措施运用于药用植物栽培学实验教学中,取得了一定的积极效果。但在今后的实验教学中,学校将继续以培养学生动手能力、学生兴趣和创新能力、提高学生综合素质为目的,紧扣中药材生产的实际和科学前沿,与时俱进地更新实验教学内容,不断改进实验教学方法和手段,为学生创造更好的实验条件和平台,以保证实验教学效果和教学质量的提高,培养出更多“宽口径、厚基础、重实践”的,符合社会生产需要的高素质人才。
参考文献
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【关键词】生药学 考试改革 教学质量 培养学生能力
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682(2012)02-0043-03
【Abstract】Aim at some malpractices of pharmacognosy examination system, the exploration on reformation of test content and test type, and so on to establish and perfect a estimation system of reasonable and scientific teaching examination has been taking in this paper. By optimizing curriculum’s instruction and curriculum construction, it facilitated student’s studying initiative. In the same time of theoretical study, we pay more attention to educated student of his comprehensive quality and innovation ability. It play a positive role in advancing quality of teaching.
【Key words】Pharmacognosy Examination reform Quality of teaching Ability development
《生药学》主要研究具有医疗或保健作用的植物、动物和矿物药的真伪优劣和内在质量变化规律,探讨生药资源和可持续利用。教学目的主要是培养学生对生药真伪优劣的鉴别能力及开发利用生药资源。所以,以前的生药学教学工作,主要围绕生药鉴别进行课堂教学,实验课以对生药进行显微鉴别为主,理论考试局限于教材中的基本知识,实验考试局限于生药的显微鉴别。缺乏对学生能力与素质的综合培养。而学生考试前突击背书,考后就忘。这样怎么能培养出适应时展的优秀药学人才呢?为此,多年来笔者一直致力于生药学考试改革与学生能力培养的探索,取得了初步成效。
一、《生药学》考试改革前的问题
以往《生药学》考试多采用单一的闭卷考试,甚至以一份期末考卷的笔试成绩作为衡量学生水平的尺码,这就使得一些学生采用考前死记硬背的方式应付考试,背对考试内容就能得高分,造成学生高分低能。有的学生平时学习很努力,但没有背对考试内容,考试成绩就不理想。还有学生考前想方设法从老师那打听考题,要老师划考试重点,这样的考试怎么能培养出具有高素质和创新能力的人才?
以往《生药学》考试也采用过单一的开卷考试,结果两极分化严重,在考场上翻书快,参考资料带的与考试内容相符的学生往往考高分,反之考低分。还有学生认为开卷容易,根本不认真学习,考场上翻书连答案都找不到,考不及格。我院曾有个高职班生药学开卷考试不及格率达56%。
以往《生药学》考试内容单一,以选择题为主,学生答题只涂答题卡上的a、b、c、d或e,很少涉及生药伪品鉴定、质量评价及生药资源利用等内容。导致学生在外单位实习写论文不会用《生药学》知识。如有的学生把赤茯苓(茯苓近外皮的淡红色部分)与白茯苓(茯苓内层的白色部分)当成两个种;把茄科植物曼陀螺的双韧维管束说成异常构造;做贮存对生药黄柏质量的影响,选用的实验材料只贮存了1~6个月……问题不少。
以往《生药学》考试评价方式不合理,基本上是以一份期末考卷的笔试成绩作为衡量学生水平的尺码,这样挫伤了学生学习的积极性,造成许多学生平时不看书,不认真做实验,只在考试前突击背书,学习的目的是考及格,至于提高综合素质和培养创新能力,很少有人考虑。如果这样发展下去,我们培养的学生怎么能适应现代医药事业的需求?考试改革迫在眉睫。
二、《生药学》考试改革的实践
在教学改革的大潮中,生药教研室响应桂林医学院党委关于考试改革的号召,在《药用植物学》考试改革[1]的基础上,进行《生药学》考试改革,为了达成培养目标,制订了考试大纲,让教师和学生都明确课程考试的目标,有目的地开展教和学。积极倡导培养学生创新能力的考核方式,不断改革考试内容,逐步建立健全合理与科学的教学考试评估机制。
1.改革考试内容
以考试为中心的应试教育,考试内容偏重学生掌握知识的考核,导致一些教师和学生只重知识的记忆、注重分数,因而影响了学生综合能力的开发。因此必需大力革新考试内容,改革后的《生药学》考试内容坚持以能力发展为主,减少机械记忆便能作答的题,增加综合分析题,注重学生的综合素质和实践能力考核,注重其创新思维和创新能力的考查。实验考查内容包括实验原理、操作步骤和方法(含仪器、设备的使用)、结果分析等。例如2010级药学生考核生药学实验,一改以往只考核学生平时实验做过的十几种常用生药的粉末两两混合,做显微鉴别,这属于应证性实验。代之而来的是创新性实验,即由学生自己选择药用植物园中种的药用植物或其它地方的药用植物,上网查它们是否被别人做过生药学研究,选没有做过生药学研究的药进行生药学研究,应用生药学基础知识和实践技能,对该药进行性状鉴定、显微鉴定(包括组织切片、绘图、描述特征,并通过数码互动装置将生药的显微图象真实地记录下来)、理化鉴定(包括试剂的配制,各类成分的提取,理化鉴定结果的描述与判断),最后将全部实验过程、方法、结果、结论、参考文献等写成论文。从2010级药学生以创新性实验的形式考核生药学实验的结果看,学生应用了《生药学》、《天然药物化学》、《分析化学》等学科的知识及分析手段来研究生药,所分析的生药都是前人没做过生药学研究的材料,经他们研究后,写出的论文图文并茂,并找到了每个药的鉴别特征,所做的研究及写出的论文有一定的学术价值。通过这样的实验考核,学生懂得了查文献资料的重要性,学会了如何研究生药,了解了科研的基本方法,有的学生在校期间就发表科研论文。通过这些举措,为将来做毕业专题和其他科研工作奠定了良好的基础。这种创新考核从强调记忆转变为强调智能开发和素质提高,有利于提高学生对科学知识的理解能力、表达能力、综合分析能力、实践能力、创新能力和自学能力。使过去的教学模式逐渐过渡到教学科研型模式。而理论知识考核也不再是以选择题为主,60%的试题需要学生经过分析、综合、归纳才能作答。如某药材公司派青年人去收购党参、黄芪、甘草、当归、何首乌等根类药材,在没有仪器和化学药品,也没有显微镜的情况下,请你给他们支招;某单位只提供显微镜,要求青年人检验1包药粉中是否有肉桂、厚朴、黄柏、人参、石菖蒲,请你给他们支招。这样的题目可考察学生对生药学基础知识的掌握情况,应变能力,考查学生在分析问题过程中所提出的新观点、新思路、新方法。
2.改革考试方法和形式
高校考试制度存在的种种弊端,实际上成了创新型人才培养的绊脚石。[2]其中考试形式单一化导致教师在课堂单纯为了传授知识,忽视了对学生能力的培养;而学生为了应付,缺乏学习兴趣,只在考前突击记忆,考试目的功利化,过分夸大分数的价值功能,严重影响了对知识的掌握程度和自身综合素质的提高。为了改变这种状况,为了使学生能在考核中充分显现出自己的特长并锻炼各方面的才能,实现学生综合素质的提高,我们在教改中对考试形式进行了改革,采用灵活多样化的考试形式。如开卷、闭卷、笔试、口试、实验设计、实验现场考核、抢答、撰写小论文、课堂讨论、生药鉴别大赛、写调查报告等,考核时间也不限定在期末进行。同时加大平时成绩的比重,让学生重视学习的过程和养成良好的学习习惯,注重自身综合素质的提高。
(1)了解我最喜欢的生药的研究进展。为了充分调动学生主动探求知识的积极性,我们让学生以我最喜欢的生药的研究进展为题,查阅文献资料、在教师的指导下,撰写综述,并上交附加全部参考文献全文的文件夹。学生有研究家乡特产药材的;有写中药提取分离新技术的;有写中药降血糖的药理研究进展的;也有写抗癌中草药的最新报道的。然后在班上宣讲,每个同学参与评分。通过这样的活动,提高了学生的学习兴趣,锻炼了学生的动手能力,提高了教学的效果,增强了学生分析问题、解决问题、查阅文献、综合运用知识的能力。使学生明白知识无处不在,学会了随时搜集身边的资料充实自己。
(2)理论联系实际,到药材市场中调查研究生药的真伪优劣。教师根据教学重点内容,提出一些问题和要求,由学生搜集和研究资料,完成任务。这类有研究性质的作业,可充分发挥学生在学习过程中的主体作用,启发学生主动思维,调动学生学习自觉性,培养科研意识,对学生能力的培养起良好作用。如在生药鉴定章节的教学中,老师举了桂林药材市场中出现的一些造假现象:用豆科植物刺田青的果实冒充决明子;将蔷薇科植物金樱子的根染成紫色冒充紫草;甚至用毛茛科雪上一枝蒿冒充五加皮泡药酒毒死了人等。学生们感到生药真伪鉴定对临床用药安全有效非常重要,很想自己把假药揪出来。于是老师带学生到桂林药材市场参观,并安排学生写调查报告或小论文,如果鉴定出假药,记实验考核优秀。让学生自由选择,为学生特长发展提供自由的空间。[3]于是学生纷纷买中药,带到学校,查阅相关的文献资料,然后通过性状鉴定、显微鉴定和理化鉴定,与药典上记载的鉴定方法和鉴别特征进行对照,从而确定自己买的中药的真伪,并写出鉴定报告。有的学生果然鉴定出了假药。它们分别是用百合科麦冬的根状茎染成黄色冒充黄龙草、用桑科薜荔的果实冒充王不留行、用海棠果冒充山楂、用去掉芦头的人参冒充西洋参。
(3)生药鉴别大赛。《生药学》教研室与团委已联合举办了两次生药鉴别大赛,为了丰富第二课堂活动,激发学生对《生药学》学习的热情和兴趣,培养他们的观察能力和学以致用,使广大学生能掌握常用生药的鉴别方法。通过初赛选拔前20个参赛队进入决赛,最终角逐出一等奖一名、二等奖两名、三等奖三名。生药鉴别大赛的内容有生药的来源、鉴别特征、化学成分和功效等,全体评委给出分数的平均分为参赛小组的得分。通过比赛提高了学生自主学习的积极性,提高了对生药真伪鉴别的能力,提高了团队协作精神,促进了对生药基础知识的全面掌握。这样的活动引起了全校不同专业同学的强烈反响,得到了师生的一致好评。由于生药鉴别大赛是生药学考试方式改革的形式之一,凡是参加和获奖的学生记生药学平时成绩,见表1。
总之,教师根据《生药学》课程的特点和全面考核学生知识和能力的要求,探索恰当的考核形式。形成形式多样、行之有效的考核方式,见表2。
三、改革成绩的评定方式
考试不但具有评价作用,而且具有激励作用,是检查教学效果的一个非常重要的质量指标。建立一套合理、科学的考核评分方案是教学改革的关键,课堂教学改革的效果要靠考核评分结果来检验。所以,想要获得好的课堂教学效果,不断改进考核评分方案是非常重要的。这既能促进教师不断更新课堂教学内容、改进教学方法、革新教学手段,又能促使学生发挥学习主动性,在理论学习的同时更加注重能力的提高。因此,我院在《生药学》考试方式和考试内容改革的同时,还对考核成绩的评定方式进行了相应的改革,力求逐步构建科学合理的综合评价体系,目前的方案如下:
课程总成绩由几部分组成,期末考试占总成绩的30%,形成性成绩占总成绩的70%(其中论文综述占20%、实验考核占20%,平时成绩占20%包括课堂讨论发言、作业、生药鉴别大赛、面试等,期中考试占10%)。这样的综合评价不但从教学的各个环节全面评价学生掌握生药学基础知识和实践技能的深度和广度,而且从多方面考察了学生分析、解决问题的能力,使学生得到较好的锻炼和综合素质的提高。还有某方面成绩如论文或综述成绩的评定可让全班学生在听论文演讲后参与打分,然后将全班学生打的分相加,除以全班学生人数,得到的平均分为该生的得分。这样的评价方式不是教师说了算,让全班学生参与,综合了大家的评价,使成绩的评定方式更科学合理。这样的综合考查和科学评价,无疑会对学生素质和能力的培养起到良好的引导和促进作用。
四、生药学考试改革的初步成效
桂林医学院《生药学》考试改革已在两个班试行,并以考试改革前的班为对照班,而考试改革班用多元化的评价方法综合评定学生的学习成绩。然后检验考试改革效果。检验指标初步设为:写论文或综述的数量,写论文的学生人数占全班学生人数的百分比;将10种生药提供给考生,其中有伪品,检出伪品的学生人数占全班学生人数的百分比;将2~3种生药的混合粉末提供给考生,根据显微镜检验,全部判断正确的人数,除以全班学生人数,得出判断正确率;参加创新实验人数,占全班学生人数的百分比。通过对比,初步考察学生分析解决问题能力的情况,检验考试改革效果,见表3。
五、结束语
传统的教育制度带有应试教育的种种弊端,必须进行全面的改革,使考试的内容、方法、形式等符合创新人才培养的要求。只有进行考试方法的改革,才能实现真正意义上的素质教育,促进教学内容、教学方法的改革,促进学生创新思维的培养和综合素质的提高。而不断改进考核评分方案既能促进教师不断更新课堂教学内容、改进教学方法、革新教学手段,又能促使学生发挥学习的主动性,在理论学习的同时更加注重能力的提高。通过训练学生的分析、思考及解决问题的能力,使我们的教学更符合“培养实用型人才”的培养目标,提高教学质量。而创新是一个民族进步的灵魂,培养创新人才是面向知识经济时代的高等教育目标,是高等学校义不容辞的责任。只有转变教育观念,强化素质教育,培养适应现代医药事业的创新人才,才能适应医药事业的发展。
参考文献
1 杜泽乡、曾建红、李云秋等.《药用植物学》考试改革与学生能力培养的探索[J].安徽农业科学,2011(9):5638~5639
论文摘要:作者概述了在蕨类孢子萌发研究中所使用的培养基质,包括了以自然土壤为主的培养基质和以营养液为主的液体或琼脂培养基。并简略分析了影响蕨类孢子萌发的其它因素。
1前言
蕨类植物是古老的维管植物,也是植物界系统演化中一个独特的自然类群,在其生活史中明显地存在可独立生活的配子体和孢子体。蕨类植物与人类生活有着比较重要的关系,体现在其食用性、药用性及工业上的某些特殊用途等方面[1](如石松属的孢子含油达40%,可在冶金工业的模型铸造中作为优良的分型剂,也可用作照明工业的闪光剂)。经典的蕨类植物研究着重蕨类植物的系统分类及孢子体形态的描述。近年来,也出现了许多关于蕨类植物配子体发育的研究,为蕨类植物的大量繁殖和开发利用提供了理论基础。
2常见的培养基质
在蕨类孢子繁殖的研究中,常采用以土壤为主的培养基质和以营养配方为主的液体或琼脂培养基质。
2.1以土壤为主的培养基质
(1)过细筛的草炭土与细沙混合的培养基质,培养乌毛蕨[2](Blechnumorientale)、剑叶凤毛蕨[3](Pterisensiformis)及三角鳞毛蕨[4](pryoterissubtriangularis)的孢子,保持盆土湿润,约1周左右萌发。
(2)在蕨类孢子萌发中,也可采用单一基质进行培养,如蛭石、珍珠岩、河沙。但相较于以过筛园土和过筛腐殖土(体积比1:2)的培养基质而言,在对天南星蕨(Microsoriumfortunei(Moore)Ching)孢子繁殖的试验中[5],以上各种基质对天南星蕨孢子萌发基本无差异。但从原叶体生长发育来看,园土和腐殖土的混合基质相对较好,在河沙上原叶体部分出现了软腐或黄化现象,以上各种基质播种的孢子均能正常产生孢子体。
(3)在以蕨(PteridiumaquilinumvarLatiusculum)孢子为繁殖材料的试验中[6],采用自配土(泥炭:粉碎田园土:洗净河沙体积比1.5:1.5:5)和自然生长土壤分别作培养基质,第一株孢子体出现时间分别是前者90天,后者为80天,配子体发育成孢子体比率为10%。此外,在以高大肾蕨(Nephrolepisexaltata)、粗脉蕨(Phlebodiumaureum)及夏威夷树蕨(Cibotiumglaucum)孢子在自然土壤田园土(PH6.8)和火山土(pH6.8)上的萌发来看[7],说明对自然土壤采取干燥、灭菌、消毒、去杂等处理后,是可以成功进行蕨类孢子的人工繁殖的。
2.2以营养配方为主的液体或琼脂培养基
(1)在对华南鳞盖蕨(MicrolepiahanceiPrantl)的孢子培养中[8],以MS为基本培养基,诱导孢子果的萌发。
(2)在对蕨(PteridiumaquilinumvarLatinusculum)的孢子萌发试验中[6],采用的琼脂培养基成份为:KNO31g,MgSO40.25g,KH2PO40.25g,FeSO4(1%)0.2ml,以上化合物加水1000ml溶解,加入10g琼脂制备而成。第一株孢子体出现时间为60天,配子体发育成孢子体的比率为20%。
(3)在对单叶双盖蕨(Diplaziumsubsi-nuatum(WallexHooketGrev)Tagawa)孢子萌发处理的试验中[9],采用的是改良knop''''s液体培养基,接种后2-4天后孢子破壁萌发。
(4)在网藤蕨属(LomagrammaJ.Smith)植物的配子体发育及形态学研究中[10],利用Parker和Thomson′s营养液配方,加入1%的琼脂制配而成的培养基,在温度为22±2℃,光强600英尺烛光(600ft.C)条件下,孢子约15-20天左右萌发。此外,对濒危的热带树蕨(Dicksoniasellowiana)孢子培养所使用的是添加了0.01%苯菌灵(Benomgl)的Mohr''''s营养液配方[11]。
3影响孢子萌发的其它环境因素
蕨类孢子的正常萌发除了和培养基有较为直接的关系外,还和光照、温度、湿度等环境因子有关。
3.1光因子
光的有无和光照强度的大小会影响蕨类孢子的萌发及萌发后的生长状况。有研究表明,高大肾蕨(Nephrolepisexaltata)、粗脉蕨(Phlebodiumaureum)及夏威夷树蕨(Cibotiumglaucum)在有光条件下,孢子均可以在自然土壤上正常萌发,而在无光或黑暗环境中则几乎没有孢子的萌发[7]。光照强度会影响萌发后丝状体细胞的长度。当光照极照时,细胞长度会增加;发育出的丝状体如果放在黑暗处,则不能进行二维生长[12]。在众多的配子体发育研究中,常采用2000-3000lx左右的光照强度及每天不低于6h左右的光照时间。
3.2温度与湿度
蕨类配子体生长的最适温度为20℃-30℃,最适pH为5-6[13]。在用天南星蕨(Microso-riumfortunei(Moore)Ching)孢子繁殖试验时[5],分别采用了40%、70%以及90%的盆土湿度,结果表明,90%的盆土湿度效果较好,即盆土湿土处于饱和或过饱和状态利于孢子的萌发。此外,鲁雪华等采用华南鳞盖蕨(MicrolepiahanceiPrantl)组培试管苗移栽基质湿度为90%[8]。
3.3其他影响因子
在对土壤营养元素的分析中,有研究表明,土壤中N、P、K、Ca等含量的高低会对蕨类孢子繁殖的早期发育产生影响[11]。对于同一种蕨类的孢子,播种期不同,原叶体和幼孢子体的出现所经历的时间长短不同[14]。
4结语
蕨类植物作为古老的维管植物,越来越多地受到人们的关注。部分蕨类植物被引种驯化后作为鲜切花配材、优美的观赏盆栽植物或作为食用及药用植物。在自然条件下,蕨类主要通过孢子进行繁殖或通过营养器官进行无性繁殖。但许多蕨类孢子萌发率的原叶体成苗率低[14]。随着研究的深入,已经积累了一些促进孢子萌发培养基质的经验,但对于孢子萌发后的生长及幼孢子体的形成所需培养条件的研究有待进一步深入,为蕨类资源的合理开发利用提供有用的理论依据。
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关键词:生活;激活;充实;延伸;能力
中图分类号:G630 文献标识码:A 文章编号:1003-2851(2012)-09-0179-01
在现实生活中,我常常看到许多学生学了生物学课程,却无法解释生活中简单的生活现象,不懂得解决现实生活中常见的生物学问题。因此,我在生物课教学中,积极探索贴近学生生活实践的生物教学方法,以具有知识性、教育性、创造性、实践性的学生主题活动为主要形式,以激励学生主动参与、主动实践、主动思考、主动探索、主动创造为培养目标,真实提高学生解决实际问题的能力。
一、教师要善于挖掘教材中的显性和隐形“生活点”,有意识的拉近生物课教学内容和学生生活实际的距离
如:生物教材中温度对呼吸作用的影响,联系在生活中同一把豆角在夏季室温下很快干瘪,而放在冰箱中几天还完好如初;生物教学中酶的特性,联系在生活中用加酶洗衣粉洗涤有奶迹、血迹的衣服,而一般的洗衣粉做不到;生物教学中酶的特性受温度的影响,联系在生活中用温水配合加酶洗衣粉使衣服洗的更干净;生物教材中生长素的产生部位,联系在生活中带芽的扦插枝条比不带芽的容易成活;生物教材中植物的根茎对生长素浓度的敏感性,联系在生活中把盆摘植物横放后一段时间,茎弯向上而根弯向地下生长;生物教材中消除植物的顶端优势,联系在生活中“摘心打顶”、“环剥”方法等,教师要及时的穿插在自己的教学实践中。
二、积极利用课内外生活知识,充实生物课堂教学
1.在生物教学过程中,应从本学科教学内容的特点出发,注意启发式教学。例如,讲了昆虫纲菜粉蝶后,有些同学由于只注意了菜粉蝶在阳光下花纵中翩翩起舞,觉得好看好玩,便认为是益虫,显然,这还是从他们过去的自我感觉中得出的错误认识。对此,为了能让同学们有一个全面、正确的看法,并有助于提高思维能力,我通过分析菜粉蝶的幼虫菜亲虫,主要啃食甘蓝、大白菜等十字花科蔬菜及油料作物的叶片,引导学生一步一步的透过现象看本质,终于让同学们认识到从根本上讲菜粉蝶是一种危害蔬菜的重要害虫。
2.在教学中,我曾结合课程内容让学生回家“生豆芽”,从选种、注水、泡豆一直到长出豆芽,不仅观察了黄豆的吸水、膨胀、发芽、破皮、以及萌发的全过程,而且激发了他们对大自然和自然科学的兴趣,提高了学习的积极性,培养了学生自觉主动探索自然科学的意识和能力。
3.理论联系实际,体现地方特色。如果只从理论上讲,学生对生物教学容易产生繁琐枯燥的感觉。教师应从大家身边的事例出发,适当补充介绍定西市当前的环境状况。例如:定西市是生产马铃薯的基地,可全市的马铃薯加工企业所排出的废水对环境的污染是非常严重,这样以学生身边感受到的问题对他们进行教育,让他们明白不进行环保是不行的。
4.结合有关植物学部分的教学,介绍植物在环境保护中的作用。植物的光合作用对环境的改善起着至关重要的作用,教育学生要绿化环境,自觉爱护一草一木;动物学有关知识的教学,介绍青蛙、鸟类的益处,提倡爱护动物,不要乱捕滥杀;在“人的健康知识”的教学时,介绍环境污染对人体健康造成的危害,让学生认识到关心保护环境,就是保护每一个人自身的健康。
三、积极开展课内外实践活动,延伸生物课堂教学
1.中学生物课还应密切结合教学内容,积极组织和指导学生在课外开展生物科技活动,更好的培养提高学生的学习兴趣、实践能力以及探索、创新精神。如:采集动植物标本,培植花木,饲养小动物,昆虫标本的制作等等。
2.让学生在学校和家里亲手栽培一些花、草等,在这种体验中,同学们会自然而然感受了美,同时产生了向往大自然的情感,进而就会升华为热爱大自然,增强自己保护和改善生态环境的责任感和使命感。
3.上好野外实践活动课。让学生走进大自然,在身临其境中认识自然、感受自然、品味自然。如;我在进行植物器官的教学时,将学生带到野外实地讲课,让学生亲眼目睹各种生物的生长和发育,同时让学生感受大自然的和谐与美好;在进行植物种类的教学时,我也将学生带到五彩缤纷的大自然中观察,并结合采集植物标本活动,让学生在真实的感受中学习知识,领悟生命的意义。
4.参观考察。结合当地的实际,组织学生调查附近的工厂、小河、垃圾处理厂、生活小区等,当他们看到污浊的河水、遍地的垃圾、工厂里排出的废气、公路上弥漫的尘埃,就立刻明白保护环境并不仅仅是环保部门的事,而是每一个人都应该要做的,并且是随时随地都要做的。
5.实验探究。我在讲课中主要是尽可能的介绍一些中学生可以自己动手做的实验,引导他们通过对身边事物的观察揭示和了解某些基本规律。例如讲完“叶的蒸腾作用”后,安排学生做了一个用塑料袋罩在天竺葵叶干上或其他植物叶干上的实验,并启发他们想一想:塑料袋内壁上的水珠是哪里来的?这是什么作用?由于学生是带着问题去自己做的,因此实验时就格外认真,甚至做不成功就不罢休。
6.根据学校现有的实验条件,开展一定的实验研究活动,也可以根据日常生活中发现有意义的课题,在教师的指导下进行实验,让学生独立思考、主动探究、亲自实践、动手操作和敢于创造。如让学生进行《利用植物花瓣自制家用香水的实验研究》、《废弃茶叶再利用技术的研究》、《蜗牛的人工饲养技术研究》、《植物扦插技术的研究》等课题研究。
论文关键词:生物课外实验,重要性,学生
教育家苏霍姆林斯基早就提出,“要让学生能够借助已有的知识去获取新知识”,并“使学生成为一种思考活动,不要让知识变成不动的死的‘行装’,而要使它们在学生的脑力劳动中,在集体的精神活动中,在学生的相互关系中,在精神财富的生动的、不断的交流过程中活起来”。
因此,必须改革生物实验教学,应充分利用实验课的优越条件,真正做到让学生独立自主思考,让学生心情愉快地自己选择、设计和安排自己的实验,提高学习实验的积极性,主动、严谨地进行实验操作。
在几年的实验教学工作中我发现在实验课堂中有些学生是不愿意按照课本上的实验步骤按部就班地进行实验的,但是由于传统的教学模式他们有不得不按照课本步骤操作,所以有很大一部分同学往往是快速地、敷衍似的完成任务。然后剩余的时间就会按照自己设计的操作步骤进行实验,但是由于课堂时间的限制,往往是中途而废。为了弥补这种不足,我就在课外时间开放了一间实验室进行课外实验活动。课外实验活动开展大约一年,我就明显地发现学生对生物实验感兴趣了,他们都会主动积极地参与到此次活动中来。课外实验活动直接培养了学生各方面的能力。
一.课外实验活动提高了学生使用鉴别仪器、药品的能力。由于学生对仪器的原理、药品的特性不了解,使用起来就会带有盲目性。例如由于学生使用显微镜的次数不是很多,所以每次使用显微镜都感觉到很生疏,经常出错。他们经常是在低倍镜和高倍镜转换观察物体时,使用了粗调节螺旋,所以经常导致压破载玻片,并且导致显微镜镜头的污染。为了避免这种情况的再次出现,我专门开展了显微镜使用专题活动,通过老师示范,学生观看录像,学生亲自动手操作等途径来提高学生显微镜的使用能力。在传统的实验教学中,实验所用的药品试剂都是由实验老师提前准备好,放在实验桌上供学生使用。所以学生对实验所需药品试剂的配制、性质了解甚少。为此,我决定在实验课外活动中用到的所有试剂都由学生亲手配制,这样药品用量、药品性能学生都能掌握,这对实验有很大的帮助。同时,我还训练了学生辨别试剂的能力。让学生自己设计方案来辨别三种无色液体(分别是蔗糖溶液、氯化钠溶液、清水),学生反应很热烈,积极性也很高,设计的方案层出不穷。其中有一组采用了口试的方法来鉴别:液体是甜的就是蔗糖溶液,液体是咸的就是氯化钠溶液,无味的就是清水。
二. 课外实验活动培养了学生创新的品质。在高中必修1《绿叶中色素的提取和分离》实验中,研磨液是5g的菠菜叶和10ml的无水酒精混合研磨而成,但学生在课外活动中就进行了大胆地创新:将菠菜叶和无水酒精的比例做一改变来观察实验效果(10g菠菜叶和10ml无水酒精组合、5g菠菜叶和5ml无水酒精组合、5g菠菜叶和10ml无水酒精组合)。同时在研磨液研磨过程中不但加入了二氧化硅和碳酸钙,还加入了少量的氯化钠,因为氯化钠是强电解质,能破坏色素中的胶体物质,有利于色素的释放。实验结果发现在研磨中加入氯化钠,绿叶中的色素提取更加充分。又如也是高中必修1中的渗透现象的演示实验,课本中是采用了玻璃纸封长颈漏斗的口,但在实验中发现,当向长颈漏斗中注入蔗糖溶液时,玻璃纸很容易就穿破了,而且将蔗糖溶液注入长颈漏斗也是很麻烦,漏斗中容易产生气泡,阻挡蔗糖溶液的加入。在课外实验活动中,学生就将此实验进行了改装:将一个鱼漂直接绑在一根有刻度的玻璃吸管上,从吸管中注入蔗糖溶液,将鱼漂浸在清水中进行渗透实验,一段时间后发现渗透现象很明显。这样轻而易举地解决了玻璃纸穿破和产生气泡的问题。可见,在课外实验活动中学生的创新潜能得到充分发掘。
三. 课外实验活动培养了学生实验探究能力。高中必修1《洋葱根尖的有丝分裂》一实验非常重要,步骤也比较复杂,但是因为加课堂时间的限制,洋葱根尖的培养、剪取、固定、解离等步骤都由实验老师代做了,学生只是进行漂洗、染色及观察三步骤的操作。学生进行不完整实验操作,实验效果很差,很多学生对实验理解不深,甚至有些学生居然实验后对实验没有印象。为了增加学生对该实验的理解,在课外实验活动中对该实验进行了开放。通过对该实验一周的开放,我发现学生对该实验进行了深入地探究:探究不同根尖材料的有丝分裂(分别培养了洋葱、大蒜、蚕豆的根尖进行实验);探究某一根尖材料有丝分裂的最佳取材时间(发现在中午12:00-14:00取材时间较好,根尖分裂相较多);同一植物不同取材部位有丝分裂的比较(根尖好);探究根尖材料合适的固定途径(采用FAA固定液固定效果较好);探究不同的解离时间对有丝分裂效果的影响(解离大约十分钟,如果解离时间太短,解离不够,根尖较硬,根尖在载玻片上不易打开,细胞重叠多,分裂相不易找到;如果解离时间太长,根尖解离解离过度,根尖太软,实验效果不好。);探究不同浓度的解离液解离根尖材料所需时间(解离时间10分钟,盐酸和酒精混合后盐酸的浓度不得小于10%);探究不同浓度染色剂对有丝分裂的影响。
四.课外实验活动培养了学生观察识记能力。观察能力是各种能力的基础。现行的初中生物是以前的初中植物学和初中动物学合并而成的,现在的初中生物大大消减了植物学方面的知识。所以现在的学生对植物了解甚少,甚至连我们身边的常见花草树木也说不出名称。为了丰富学生植物学方面的知识,我利用课外时间带领学生在校园内、学校的生态园内观察了解各种植物,发现学生的兴趣都很高。观察识别之后,在学生的课外活动报告中发现学生对植物的观察很仔细,他们将花草树木进行了分门别类(将植物进行了旱生植物、水果植物、药用植物、棕榈植物和裸子植物五大分类),而且分类正确率达到98%。
五.课外实验活动培养了学生的团结合作的精神。在课外实验活动中学生积极与他人配合协作,仪器安装、实验操作、观察记录等各负其则。人人投入,遇到问题集体讨论、共同解决,以培养学生的协作精神。
课外实验活动无疑加大了我的工作量,我也感觉到非常辛苦。但是看到学生逐渐对生物学感兴趣,学生各方面的能力得到大幅度地提高,我感觉到我所有的付出都是值得的。
生物课外实验是中学生物实验的重要组成部分,同时也是生物课堂教学的一种有效的补充和延伸。因此生物课外实验也就成为生物教学的重要内容。由于课外实验是在课堂之外进行的,所以实验方案设计、实验器材使用、实验对象管理、实验现象观察和实验结果分析、整理等环节均由学生独立完成,实验中遇到的各种问题也需学生独立解决。 所以生物课外实验培养了学生独立工作能力,为高校输送大量合格人才打下了坚实基础。所以我们广大的教师朋友应该重视生物课外实验的教学。
参考文献
陈美玲,生物实验探究与创新实践。 中学生物教学,2001(3),6.
[基金项目] 国家自然科学基金项目(31070003);广州市科技计划项目(2013J4100050)
[通信作者] *李淑彬,教授,Tel/Fax:(020)85215528,E-mail:
[作者简介] 周仁超,高级实验师,主要研究方向植物与微生物相互作用,E-mail:
[摘要] 采用组织PCR-末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)免培养技术,从南药植物高良姜道地产地植株根、根茎、茎、叶4个不同组织总共检测到28个不同的末端限制性片段(T-RFs),说明高良姜内生真菌群体至少组成28个不同的真菌种;不同组织其T-RFLP图谱、T-RFs数目、优势T-RFs组成不同,内生真菌群体Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数也随组织而异;采用水蒸气蒸馏法、甲醇抽提-高效液相色谱法测定高良姜主要活性成分挥发油、高良姜素含量,结果显示,该2类活性组分在其根、根茎、茎、叶4个不同组织均有积累,且均以根茎最高;相关性分析显示2类所测活性成分与该宿主内生真菌群体Shannon多样性指数及其均匀度呈极显著的负相关,与325 bp对应于拟盘多毛孢菌属Pestalotiopsis的优势T-RFs呈极显著的正相关。
[关键词] 高良姜;内生真菌;末端限制性片段长度多态性;高良姜素;挥发油
高良姜Alpinia officinarum Hance,别名小良姜,又名徐闻良姜,是著名南药植物之一,主治脘腹冷痛、胃寒呕吐,嗳气吞酸[1-2]。高良姜提取物具有抗菌、抗氧化、抗病毒、抗癌、保护脑血管和胃黏膜损伤、改善实验小鼠记忆获得等多种活性[2-13],目前除作为世界著名汉药万金油最主要原料外,还广泛用于食品、化妆品和药品添加剂的制备[2-3,9,14]。虽然高良姜在热带、亚热带地区均有分布,但各地高良姜质量和药效存在很大的差异,其中以广东徐闻县龙塘镇所产高良姜质量最优,为道地高良姜[2,15-16]。目前,对高良姜的研究主要集中在对其根茎化学成分分析和制备、药理和药效以及道地高良姜品质鉴定等方面。对高良姜道地性的形成原因尚不清楚。
植物内生真菌(fungal endophytes)是指其生长于健康植物内部、不对寄主产生明显有害影响的真菌。内生真菌存在于目前已研究过的所有植物,其种类、数量都因不同的植物种,同一植物不同组织、不同生长阶段及不同生长环境而不同[17-18]。大量研究已经显示内生真菌不仅能产生结构多样的活性物质[14-17,19-20],而且可通过多种方式促进宿主生长、提高其对生物及非生物境胁迫的抗性 [17,21-22]。尤其是一些药用植物内生真菌显示了产生与宿主植物相同或相似的活性物质、促进和诱导活性成分合成和积累等有益作用[19,23-28]。研究药用植物内生真菌种群结构及空间、时间动态分布,对建立高质量、高产量的现代中药生产新方法与关键技术、开创中药道地性研究的新思路具有重要意义。
内生真菌在禾本科农作物、木本植物及多种药用植物中相继被分离并得到了广泛研究[17-18,20-27,29-31]。然而,对高良姜内生菌的研究目前尚未报道。末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)技术是近年来新发展的微生物群体多样性分子生态技术[32-34]。本论文以高良姜道地产地广东徐闻龙塘高良姜植株为材料,运用T-RFLP技术研究了高良姜内生真菌多样性及其组织分布特征;同时测定了不同组织中高良姜主要活性成分高良姜素和挥发油的含量;在此基础上,对该植物活性成分与其内生真菌群体的相关性进行了分析,以期为进一步分析内生真菌群体在高良姜道地性形成中的作用、及高良姜内生真菌资源开发利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 植物
实验所用高良姜采自我国道地高良姜产地广东省湛江市徐闻县龙塘镇。整株挖取生长健壮、无病虫害、约四年生高良姜植株,用灭菌物品袋包裹带回实验室后立即进行组织DNA提取和活性物质抽提。
1.2 试剂
高良姜素对照品购于美国Amresco公司;限制性内切酶HhaI,Premix Taq购于Takara公司;植物基因组DNA提取试剂盒、DNA纯化试剂盒购于上海生工生物科技有限公司;其余试剂为高效液相级或国产分析纯。
1.3 高良姜素和总挥发油的测定
1.3.1 样品处理 用流水洗净高良姜植株表面土壤和其他脏物,剪取其根、根茎、茎和叶样品,恒温干燥箱45 ℃烘干至恒重后,用小型打粉机粉碎、过筛(40目)。
1.3.2 高良姜素含量测定 精密称取高良姜素对照品1 mg,溶于1 mL甲醇中,充分混匀作为母液(1 g・L-1)。母液用甲醇二倍稀释成500,125,62.5,31.25,15.63 mg・L-1。取母液及各稀释度的对照品溶液,高效液相色谱条件:Phenomenex Gemini C18色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);流动相为甲醇-0.2%磷酸 60∶40;检测波长 266 nm;流速 1.0 mL ・ min-1;柱温 30 ℃;进样量10 μL。以进样浓度为横坐标,以峰面积作为纵坐标,得线性方程为y=10.264x+70.082(R2=0.999 4)。样品中高良姜素测定精密称取约20 g样品粉末于100 mL甲醇加热回流1 h,放冷,过滤除渣后补足体积至100 mL,所得甲醇抽提样品用0.22 μm滤膜过滤后,于同样的色谱条件下进行高效液相色谱检测。从高良姜素标准曲线计算出样品中高良姜素量(mg・g-1)。每个样品重复提取3次。
1.3.3 挥发油含量测定 按《中国药典》(2005年版)[1]附录XD的水蒸气蒸馏法提取挥发油。准确称取约200 g各样品置于挥发油提取装置中,加400 mL水、玻璃珠数粒,加热至沸腾后保持微沸5 h,停止加热后静置1 h,收集蒸馏的馏出物,向其中投入过量无水硫酸钠并充分振荡,使用循环水式真空泵抽滤,得到浅黄色透明油状物,称量、计算挥发油得率。每个样品重复提取3次。
1.4 T-RFLP分析
冲洗干净的根茎、根用无菌小刀刮去表皮,切成长、宽、厚各约20 mm小块。剥去表层的茎、及用无菌面棉球反复檫拭过的叶切成长约20 mm小段。按照以下步骤对上述样品进行表面消毒:75%乙醇浸泡(30 s),无菌水冲洗3次,0.1%升汞浸泡(4 min),无菌水冲洗5次。取表面消毒的不同组织小块(10块/组织),于液氮中充分研磨后,用植物基因组DNA提取试剂盒提取各组织总DNA,方法参见试剂盒说明书。每一组织重复提取3次。分别以各组织提取的DNA作为模板,采用真菌核糖体内转录间隔序列(rDNA ITS)通用引物对(正向引物ITS1f,5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′;反向引物ITS4r,5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC -3′)扩增其真菌rDNA ITS区域。其正向引物ITS1f 5′端用6-羧基二乙酸荧光素标记。每25 μL PCR 反应混合物含Premix Taq 12.5 μL,正、反引物各1 μL,DNA模板2 μL,ddH2O 8.5 μL。PCR反应程序为95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,51. 6 ℃退火45 s,72 ℃延伸90 s,30个循环;72 ℃终延伸7 min。表面消毒中最后1次冲洗后的无菌水按照同样体系进行扩增,以检测消毒效果;每一模板DNA重复扩增4次,切胶回收目标产物(~600 bp),合并扩增的PCR产物,试剂盒纯化后用HhaI 于37 ℃消化3 h。酶切体系含PCR 产物2 μL, 酶1 μL, 10× buffer 2 μL, ddH2O 15 μL)。75 ℃下水浴10 min终止反应。消化终止后,将管壁用锡箔纸包裹,送深圳华大基因有限公司进行T-RFLP 分析。T-RFLP图谱中限制性片段(T-RF)范围在50~550 bp、荧光强度高于50 U、在平行实验图谱中重复再现的峰纳入统计分析。合并大小±1 bp的T-RFs。计算每一T-RF在其对应样品中的相对丰度[34]。相对丰度>10%的T-RFs定义为该样品的优势T-RFs。
1.5 数据分析
1.5.1 多样性指数分析 以T-RFLP 图谱中各T-RFs的相对丰度计算免培养内生真菌群体Shannon-Wiener多样性指数(H)及其相应的Shannon均匀度(E)。其中,H=-Σ(Pi ln Pi);E=H/lnN;式中,N为每一组织T-RFs的总数,Pi为第i个T-RFs在该组织的丰度。
1.5.2 统计分析 使用SPSS 17.0软件中的邓肯氏新复极差检验法(Duncan′ s Multiple Ranger Test,DMRT)进行差异显著性分析(P
2 结果
2.1 不同组织高良姜素与挥发油含量的测定
高良姜素与挥发油2类活性物质在高良姜植株4个不同组织均有积累,但其积累量随组织不同而不同。其中,根茎中高良姜素约为其他3个组织的5~21倍,挥发油含量约为其他3个组织的6~47倍,均极显著的高于其他3个组织(P
2.2 内生真菌群体的T-RFLP分析
以高良姜不同组织抽提的总DNA作为模板,用引物对ITS1f/ITS4r扩增真菌核糖体转录内间隔序列(rDNA ITS),得到的目标条带(600 bp左右)清晰明亮,见图1。纯化的PCR产物用HhaI单酶消化后进行T-RFLP分析,得到的T-RFLP图谱见图2。从高良姜其根、根茎、茎和叶4个不同组织总共检测到28个相对丰度大于1%的DNA末端限制性酶切片段(T-RFs)。按照1个T-RFs 至少代表1种真菌,高良姜内生真菌群体至少组成28个不同的真菌种,说明高良姜免培养内生真菌具有丰富的多样性。
分析不同组织T-RFLP图谱,可知其总的T-RFs数目、T-RFs组成及其丰度随高良姜组织而异。总T-RFs数目以茎最多(19)、根茎最少(14),而根和叶居中,分别为17,16个。基于各组织检测到的T-RFs及其丰度,计算不同组织免培养内生真菌群落Shannon-Wiener 多样性指数及Shannon均匀度指数,见表2。上述多样性指数均以根茎最低(P
在所检测到的28个T-RFs中,85,90,153,170,174,325,389 bp等7个T-RFs至少在1个组织中相对丰度大于10%,这些T-RFs所对应的真菌类群为高良姜免培养内生真菌的优势类群。在相关的工作中,从高良姜内生真菌rDNA ITS克隆文库中得到了这些T-RFs的相关序列,序列提交到NCBI获得的检索号及对应的真菌种群显示在表3。这些优势T-RFs在高良姜植株内的分布存在明显的组织差异,见表3。其中,85,90,153,325 bp在所有4个组织中均被检测,而另外的优势T-RFs至少在1个组织中没有被检测到;这些优势T-RFs在组织中的丰度也具有较大的差异,特别是对应于Pestalotiopsis sp. 的T-RF(325 bp)在根茎中具有强烈的优势,其相对丰度高达52.87%,而该T-RF在另外3个组织中其相对丰度均低于5%。以上结果说明高良姜免培养内生真菌种群具有一定的组织专一性和组织喜好性。
2.3 主要活性成分含量与免培养内生真菌群体的相关性分析
利用SPSS软件分析主要活性成分高良姜素和挥发油与免培养内生真菌群体多样性指数的 Pearson相关性,见表4。2种所测的活性成分与T-RFs总数、Shannon多样性指数、及Shannon均匀度指数均呈显著的负相关。
进一步,分析高良姜素和挥发油含量与各优 势T-RFs的Pearson相关性,见表5。所测的2种活性成分与3个优势的T-RFs均呈显著的正(153,325 bp)或负相关(90 bp),其中与T-RF 325 bp相关性最高,其相关系数高达0.97以上。另外4个优势T-RFs中,高良姜素含量与T-RF 85 bp呈显著的负相关,挥发油含量与T-RF 170 bp呈显著的负相关。而T-RFs 174,389 bp与2种所测的活性成分没有相关性。
3 讨论
传统中医上,高良姜主要以其膨大的根茎入药[1],故对高良姜活性物质的研究主要集中在其根茎组织,而对该植物其他组织相关研究报道极少。挥发油和高良姜素是高良姜2种重要指标性活性成分。高良姜挥发油具有多种功效,是判断高良姜质量优劣的重要指标之一[2-3,6,16]。高良姜素具有抗癌、抗菌、抗氧化、抗辐射、抗炎、降血糖等多种药理作用,是用途广泛的天然活性物质[3,5,9-13], 其含量不仅反映高良姜的药效,且对高良姜的鉴别具有专属性[2]。本研究结果显示挥发油和高良姜素在高良姜植株4个不同组织均有积累,特别是叶中高良姜素高达3.47 mg・g-1,根组织也能积累较多的高良姜素和挥发油(表1),这些结果提示高良姜叶和根也可作为天然活性物质高良姜素和挥发油的制备原料。
本研究结果显示高良姜不同组织其rDNA ITS-T-RFLP图谱不同,各组织图谱中T-RFs总数、T-RFs组成、优势T-RFs种类及其丰度、以及基于各组织T-RFs及其丰度计算的多样性指数均随组织而异(图2,表3),表明高良姜免培养内生真菌群体具有明显的组织差异性和种群偏好性。相关性分析显示高良姜素和高良姜挥发油含量不仅与高良姜不同组织内生真菌群体多样性指数显著相关,也与几个代表不同真菌类群的优势T-RFs显著相关(表4,5)。说明高良姜素和高良姜挥发油含量的差异能够重要的影响高良姜内生真菌群体多样性及其组织分布。其影响机制可能与该两类物质具有广谱的抗菌活性有关[2-3,7,13-14],不同的内生菌可能对这些物质的耐(抗)性不同,因此在该植物不同组织的生长能力不同。在所测物质含量高的组织,只有高抗性的种群才能繁殖进而成为优势,因而其种群多样性较低。
内生菌长期生长于植物内部组织,由于基因水平转移及对内化学环境适应,内生菌可获得直接合成这些代谢产物的能力、或促进其生物转化的能力。体外培养实验已显示许多药用植物内生真菌能合成与其宿主活性成分相同或相似的物质、或促进其合成、积累和转化 [14,17,20-24]。最近,几个研究也已证明药用植物内生真菌群体多样性与其宿主活性成分含量密切相关。例如,Sun 等[36]探讨了丹参根中内生真菌种群与丹参主要有效成分的相关性,结果显示不同产地丹参的内生真菌在数量、分布、种群以及组成上存在差异, 作者认为丹参内生真菌的种群结构与其质量的形成有关。Cook等[37]报道棘豆属植物Oxytropis sericea苦马毒素的积累与其内生真菌阳性相关。在本研究中,高良姜活性物质含量与其宿主高良姜内生真菌群体显示了显著相关性,特别是与对应于拟盘多毛孢菌属Pestalotiopsis的T-RF(325 bp)其相关系数高达0.97以上(表5)。拟盘多毛孢菌属真菌是一种具有重要经济价值的无性型真菌,该属真菌具有产生类型丰富、活性广泛的次生代谢产物能力,尤其是许多内生性的拟盘多毛孢菌显示了合成与其宿主相同活性物质的能力[38]。这些结果提示内生菌因素可能也是影响该植物活性物质形成不可忽视的原因。在进一步的工作中,有必要开展其内生真菌分离纯化、活性物质筛选等相关研究。
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1调研与总结
在进行中药学本科专业教学内容与课程体系调整改革前,我们专门召开教师和学生的座谈会,讨论中药学本科专业的教学内容与课程体系,提出意见和建议,并到国内兄弟院校如南京中医药大学、广州中医药大学、成都中医药大学等进行调研,对收集到的建议和到兄弟院校学习的经验与调研结果,进行全面总结分析,提出我院中药学本科专业教学内容与课程体系改革的方案。
2调整与改革
按照“教育部和国家中医药管理局颁布的《高等学校本科教育中医学专业设置基本要求(试行)》”[教高厅(2008)3号]文件中有关本科教育中药学专业设置基本要求(试行),参考国内多所中医药院校中药学专业的教学内容与课程体系,对我院中药学本科专业的教学内容和课程体系进行了修订和调整,对课程体系和教学内容进行优化、整合和重组,完善了基础课、实验课、选修课课程体系,精炼和确立中药学的基本知识、基本理论和基本技能,构建中药学本科生合理的知识结构,达到教学内容与课程体系的整体优化。
2.1教学内容调整中药学专业各课程的教学内容要体现现代教育理念和时代要求,及时反映和吸收本学科领域的最新研究成果,根据中药学专业教育的目标和社会的需求及时进行必要调整、补充新的内容,使课程具有科学性、先进性,反映出本学科领域的最新科技成果,体现当前经济和社会发展对人才培养提出的新要求。在教学内容方面,突出各课程的主要内容,教师讲授基本的和共性的部分,减少讲授个性的和特殊性的部分;重点是讲方法,当向导,训练学生的思维方法和基本实验操作技能,在传授基础知识和技能的同时,及时讲授反映专业前沿的新理论、新知识、新技能。加强理论与实践的内在联系的教学,突出实践对促进知识理解和掌握、培养独立工作能力和创新能力的作用。
2.1.1理论教学课堂讲授要精讲,讲方法、讲重点、讲难点和疑点。结合广西丰富的中草药资源和中药产业的需求,理论教学中融入广西特产药材和民族药知识,丰富教学内容,突出民族特色。教学过程加强传授中药的功效、鉴定、种植、采集加工、养护、炮制、质量分析、提取工艺、中药制剂和中成药的生产研究、强化中药安全性评价、中药临床实践等知识。
2.1.2实践教学中药学专业的实践教学占很大比重,主要由实验教学和毕业实习两大部分组成。在实践教学中,完善学生自我训练为主的教学模式,实验采用循序渐进的方法,前期、中期培养学生掌握基本实验操作方法和技能等,注重学生对理论知识的综合应用,特别注重学生创新能力、综合能力的提高,使所学的知识能够灵活地运用并指导实践,提高发现问题、解决问题的能力;后期结合产学研基地实习、科学研究等,重点培养学生查阅文献、自行设计和独立完成实验的能力。在实验教学的前期、中期,采取统一集中教学和开放式教学相结合的手段。对于基础性、验证性实验,主要采取集中教学,教师讲授和学生动手实验相结合,有利于巩固基本实验技能;对于研究性、设计性、综合性实验,主要采取开放式教学,逐步建立学生自我训练为主的教学模式。后期重视毕业实习的开展,加强实习检查,及时与实习单位、实习同学沟通反馈,切实抓好后期教学实习质量,在实习点紧密结合生产实际使学生在实践中培养实干能力,提高学生动手实践能力,成为复合实用型人才。结合社会对中药学专业人才素质的要求,培养学生利用专业知识分析、解决各种问题的能力,鼓励学生利用课余时间到野外认药,到药材市场调查,在大二、大三假期组织学生开展专业见习和社会实践活动,使学生提前接触药品生产、流通、管理第一线,不但巩固了课堂所学的理论知识,又能更好地了解目前药品的质量及市场流通情况,增加学生对社会实际情况的了解,为学生毕业后走上工作岗位打下了良好的基础。
2.2课程体系改革重点是加强基础,拓宽专业口径,加强素质教育,加强创新能力和实践能力培养,培养学生学习能力。对中药学专业课程体系进行优化、整合和重组,调整基础课、实验课、选修课结构,完善课程体系。注意基础课之间、专业基础课与专业课程之间的衔接,精简融合相关课程内容,注重中药学与现代科学技术的融合,构建以中医药学为主干,以化学、生物学和基础医学为基础,以外语、计算机、管理学知识为支持工具,辅之以社会人文科学知识的课程体系。
2.2.1确定主干学科和主干课程确定了中药学、药学、中医学为中药学专业的主干学科,中医学基础理论、中药学、方剂学、生理学、高等数学、物理学、无机化学、有机化学、分析化学、生物化学、物理化学、仪器分析、药用植物学、药理学、中药鉴定学、中药化学、中药药理学、中药炮制学、中药药剂学、药物分析学(含中药制剂分析)、药物化学、药事管理学等课程为主干课程。在必修课中保证中药传统特色课程如中药学、中药炮制学、中药鉴定学、中药化学、方剂学等占有重要地位外,还开设现代药学课程,如药物化学、药物合成、药物分析等课程,使学生除了掌握传统的中药理论知识外,还具备现代医药研究的理论和方法。
2.2.2减少必修课,增加选修课中药学专业的课程设置分为必修课、选修课(包括限制性选修课和非限制性选修课)。确立主干课程后,尽量减少必修课程比重,选修课程达到总课程的10%左右;将中药资源学、药学科研方法等传统必修课列为选修课,增加本草选读、药用植物栽培学、药学综合知识技能等专业选修课,结合学生毕业后部分到医药公司从事营销工作,增加了医药市场营销等选修课程。增加选修课程后,减少了统一要求,满足了学生能力拓展需求,促进学生的个性发展。
2.2.3减少上课学时,增加自学时间学分不变,减少学时。专业课和专业基础课的理论课时、实验课时由原来的18学时计1学分改为16学时计1学分,实习环节1周计1学分,所有课程减少总学时10%。在减少上课学时的同时,通过改革教学方法,加强多媒体教学,提高单位学时的使用效率。学生获得相同学分情况下,上课学时减少,自学和课外时间增加,为学生提供个性化发展的空间。
2.2.4减少理论课程,增加实践课程减少理论课教学学时,增加实验课学时和实习实践环节,理论课和实践课程的比例达到1︰1,提高学生的动手操作能力和实践能力,通过改革,实现理论素养和实验技能并举,强化实验操作能力培养。
2.2.5增加学生毕业实习前的岗前培训为了加强学生热爱中药专业和服务社会的意识,提高学生对专业学习的主动性,培养学生分析、解决实际工作中遇到问题的能力,并且能够顺利完成毕业论文,在学生毕业实习前进行岗前培训,邀请校内经验丰富的实习带教老师,医药生产企业、营销企业、食品药品检验所等单位和学校领导、专家分类分块做实习前的综合技能培训,使学生了解实习单位的情况和实习要求,能够尽快地适应实习岗位,安心实习。
3取得的成效
改革和调整后的中药学本科专业的教学内容与课程体系从2007级中药学专业开始实施,4年来,中药学专业的学生平均就业率达97%以上,特别是2011年中药学专业毕业生的就业率达到99%。教师共指导学生公开58篇,获专利授权2项;学生参加广西全区高校大学生化学化工类论文及设计竞赛,获一等奖11项,二等奖15项,三等奖15项;参加广西普通高校大学生化学实验技能竞赛,获二等奖1项,三等奖4项,优秀奖1项,参赛奖1项;参加全国大学生数学建模竞赛,获广西赛区二等奖5项,三等奖7项,成功参赛奖4项;参加“挑战杯”广西大学生课外学术科技作品竞赛,获一等奖1项,获二等奖2项,三等奖1项;参加“老百姓杯”药师精英赛,获一等奖2项。升硕率也有大幅提升,考上区外重点高校的学生也不少。