人世间插曲:“细胞工程”的教学实践与体会

北京师范大学附属实验中学（100032）  林祖荣

                                                       ——本文载《中学生物教学》2010年第10期

摘  要  本文针对“细胞工程”的教学实践提出了创设问题情境，适当拓展过程，注重通过科学技术与社会间的关系揭示知识间的内在联系，并形成网络化的知识结构的教学建议，并通过具体的教学案例进行了分析。

关键词  细胞工程  教学案例   教学实践与体会  生物科技

“细胞工程”是人教版《生物．选修3．现代生物科技专题》中的专题2，以下分主题以教学案例的形式谈一谈教学实践和体会。

1  创设问题情境，激发学生思维

创设一个合适的问题情境，不仅有助于激发学生的学习兴趣与探究学习的欲望，而且能启动学生的思维，引导学生进入思维轨道中来。

案例1：植物组织培养的教学片段

师：春天，如果你把月季的枝条剪下来，扦插在花盆里，过段时间你可能会发现，这个枝条变成了一棵月季。这种技术叫什么？

生：这叫扦插。

师：对，这是无性繁殖中的扦插。请大家设想一下，如果我们把这个枝条剪得短一些呢？有可能扦插成功吗？

生：能。

师：那如果我们继续将它剪得更短一些呢？

生：……

师：如果我们不断地将枝条分割下去，最后留下的是一个细胞呢？

1902年，德国植物学家哈伯兰特(Haberlandt)就猜测：如果给细胞提供和生物体内一样的条件，每个细胞都应该能够独立生活并且发育成完整的个体。据此，哈伯兰特大胆提出要在试管中人工培育植物。哈伯兰特本人，以及后来的德国植物胚胎学家汉宁(Hanning)等人，都用植物的叶、茎、根、花的小块组织或细胞，进行过培养试验，但他们都没有获得成功。你认为哈伯兰特作出这种猜测的依据是什么？

生：细胞有全能性。

师：对。通过必修1《分子与细胞》的学习，我们已经知道，将离体的植物组织细胞培养成完整的植物体的技术叫植物组织培养。这种技术现在已很成熟，在生产上也得到了广泛的应用，我们的实验室也能进行这种培养，但当初哈伯兰特以及汉宁等科学家的尝试却没有成功，你认为原因是什么呢？

（学生提出各种观点）

师：大家分析得有道理，限于当时的科学技术发展水平和设备等条件的限制，哈伯兰特等科学家没有尝试成功，但却为后人提供了很多可以借鉴的经验。

1937年，美国科学家怀特(White)配制出了植物组织培养用的培养基，他和当时的一些科学家，用烟草的茎段形成层细胞和胡萝卜根的小块组织，在人工培养的条件下，成功地诱导出了愈伤组织，植物组织培养终于取得了重大突破，但是他们未能从愈伤组织中诱导出芽和根来。1958年，美国植物学家斯图尔德(F.C.Steward)等人，用胡萝卜韧皮部的细胞进行培养，终于得到了完整植株，并且这一植株能够开花结实，也证实了哈伯兰特在五十多年前关于细胞全能性的预言。

科学家从提出预言到预言被证实，用了50多年的时间，在这期间你认为科学家主要摸索与探究的问题是什么？

生：细胞培养需要什么样的条件。

师：能不能稍具体些？

生：培养基的配制，培养过程中要控制的条件。

师：非常有道理。我们在扦插植物的时候考虑的也是插在什么样的土壤中，扦插后如何进行管理，组培也一样。但组织培养到底需要什么样的培养基，又需要什么样的培养条件呢？我们先了解教材中的实验介绍，然后再作分析与讨论。

上面的教学片段，展示的是植物组织培养从预言到通过实验探究使预言成为事实的大体过程。通过这一情境的创设，不仅引起学生对于植物组培技术的学习兴趣，也使学生了解植物组织培养技术的发展轨迹。使学生感悟，从植物枝条扦插可以成活，到细胞可以培养成完整个体的推测是一个逻辑推理的过程，正是这种推测，才会有异想天开的预言，有了预言才会促使人们去验证这种预言的成立，一个原本看似天方夜谭的猜测才会成为事实。同时也使学生明确，科技的发展是漫长而曲折的过程，需要经过许多科学家的共同努力。

不同的细胞工程技术教学内容，创设的问题情境是不同的。从诱人的应用前景或者从解决现实社会生活中的问题入手，都可以创设出既能引起学生兴趣，又可以诱导学生思维的问题情境。

2 通过技术操作原理分析，揭示技术与科学间的联系

技术的发展来自于科学理论的转化以及实践经验的总结。在教学过程中，由科学理论推测技术以及从技术入手分析其原理，是两种基本的教学策略，都有助于揭示技术与科学间的相互联系。

案例2：植物组织培养中培养基的配制

师：前面提到，影响组织培养的因素包括植物组织材料、培养基以及培养条件等方面，其中培养基的配制是一个重要方面。

下面是MS培养基的配方。（投影配方。配方参见选修1：生物技术实践P84，此处略）这是最常用的一种植物组培培养基。MS是两位科学家Murashige and Skoog的缩写，这是他们于1962年为烟草细胞培养设计的，该培养基适合于大多数植物的组织培养。

这个配方是科学家经过无数次的实验而得出的，分析此配方，你认为配方中的成分有什么特点？起什么作用？

生；（讨论后回答）配方中含有多种植物生长必须的无机盐，还含有多种有机物。

师：植物生长需要无机盐，而且对不同无机盐的需要量有差异，因此配方中加入了多种无机盐，有些量多，有些量少，这些都很好理解，但为什么还要加入有机物呢？栽培植物体的时候我们并不需要给植物提供有机物呀。

生1：植物体是自养型的，能通过光合作用合成有机物，而培养的植物细胞不具有光合作用的能力。

生2：教材上介绍脱分化阶段是在黑暗条件下进行的，细胞也不能进行光合作用。因此，就需要在培养基中添加有机物。

生3：植物体是一个整体，不能进行光合作用的细胞可以从其部分获得所需要营养物质，但组织培养的细胞是离体的，只能从培养基中获取营养物质。

师：分析得非常好。那培养基中的琼脂也是提供有机营养的吗？

生：不是。它是凝固剂，用于配制固体培养基的。

师：说得对，我这里补充说明，有机物还可以维持细胞的渗透压，使细胞保持正常的生理状态。在我们刚才分析的MS培养基中，包括了无机盐（矿质元素）、有机物以及琼脂，但这个培养基只是个基础培养基，在实际进行组培时还需要根据培养要求等加入相关的激素。下面是胡萝卜细胞培养中添加的激素（投影）：

（1）诱导胡萝卜愈伤组织

在MS培养基中加入质量分数为0.5 mg/L的6-苄氨基嘌呤（细胞分裂素的一种）和质量分数为0.5 mg/L的奈乙酸（生长素的一种）

（2）诱导胡萝卜丛芽

在MS培养基中加入质量分数为2 mg/L的KT（激动素，能促进细胞分裂的激素）和质量分数为0.2 mg/L的NAA

（3）诱导胡萝卜生根

在1/2MS培养基中加入质量分数为0.1 mg/L的NAA

根据上面的资料，你认为激素在植物组织培养中起什么作用？

生：不同种类的激素能诱导细胞的脱分化与再分化。

师：继续看下面的资料（投影）：

资料1：用不同种类和比例的植物激素处理离体培养的烟草茎髓，发现当细胞分裂素/生长素的比值低时诱导根的分化；两者的比例处于中间水平时，愈伤组织生长而不分化；两者比值较高时，则诱导芽的分化。

资料2：

使用顺序

实验结果

先使用生长素，后使用细胞分裂素

有利于细胞分裂，但细胞不分化

先使用细胞分裂素，后使用生长素

细胞分裂也分化

同时使用

分化频率提高

根据上面的资料，你能得出什么结论？

生：植物激素对细胞的脱分化与再分化起到决定性的作用，培养基中添加的植物激素的种类、浓度、使用顺序以及比例等，都会影响实验的结果。

师：（总结，略）

上面的案例以资料信息的方式给出了MS培养基的配方以及采用不同激素添加后得到的不同结果，要求分析得出结论。这是对技术实践进行理论分析与总结的过程。培养基的配方是建立在无数次实验基础上的，很难完全通过理论分析而得出，因此对此类内容就不大适宜通过理论分析进行具体的推测，而从已有的经验与结果入手分析结论与研究的方法更贴近。

3．关注技术应用，体现科技发展对社会的影响

科学技术的价值在于应用，在于技术的成果对于社会的作用。在细胞工程的教学中，让学生了解技术的应用不仅是教学的目标，而且可以使学生体会到技术的实用价值，有助于激发学生的学习兴趣。对于技术应用的教学，笔者认为一方面要注重将应用与技术的联系，另一方面要引导学生辩证全面看待科技发展的成果，合理利用科技的成果。

例如，植物组织培养的应用，教材从植物繁殖的新途径、作物新品种的培育以及细胞产物的工厂化生产三个方面来介绍。教学中，笔者要求学生根据组培过程进行分析：在愈伤组织阶段，利用已脱分化的细胞进行培养，就可以获得细胞的代谢产物。借鉴微生物发酵技术，将植物细胞在培养液中悬浮培养就可实现细胞代谢产物的工厂化生产。再分化形成的胚状体，类似于种子的胚，如果加上人工种皮、充填营养就可以生产人工种子。从组培的外植体来看，不仅可以是体细胞，还可以是生殖细胞。生殖细胞培养得到的植株就是单倍体，这是单倍体育种的基本环节。植物组培是从细胞到植物体的培育过程，不受种子与繁殖季节的制约，因此可以做到大量快速繁殖，是一种“高保真”的微型繁殖。也正是因为植物组培是从细胞到植物体的过程，突变的细胞，被导入目的基因的受体细胞，体细胞杂交得到的杂种细胞，要培育形成相应的植物体，都离不开组织培养，等等。

上述分析，不是对植物组培应用的简单罗列，而是将应用与组织培养的各个环节以及技术操作特点相联系，使应用建立在技术的基础上。

科技对社会发展的促进作用不言而喻，但也不能回避科学发展对社会可能带来的负面影响。在教学中，我们不是简单告诉学生某种技术对社会影响的是与非，而是要求学生能关注社会，关注社会的热点问题，学会用辩证的、批判性的思维来看待科技发展的两面性。

4．注重学习技术过程，拓展学生的认识

鉴于教材是以专题的形式呈现的，其内容侧重以知识内在的逻辑来构建，因此有些技术操作、原理及应用都只是一种概括性的介绍。在教学过程中，将结论过程化，在过程中得出结论，不仅是有助于学生对知识结论的理解与记忆，更有助于训练学生的思维。

例如，单克隆抗体技术中的关于杂交瘤细胞的筛选，教材中只是介绍“特定的选择性培养基进行筛选”，这个特定的选择性培养基到底有什么特点？如何利用它进行筛选？ 

案例3：动物细胞融合与单克隆抗体技术教学片段

师：诱导B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合，能否保证所有细胞都形成杂交瘤细胞？

生：不能。

师：那你认为诱导融合后可能会有哪些细胞类型？

生：可能有两两融合的类型，如B淋巴细胞互相融合的，骨髓瘤细胞互相融合的，B淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合的杂交瘤细胞，多细胞融合的以及没有被融合的B淋巴细胞和骨髓瘤细胞。

师：对。这就是说经过诱导融合，得到的是个“大杂烩”，其中显然只有杂交瘤细胞是我们所希望得到的。这就面临着一个需要解决的问题：如何将杂交瘤细胞从“大杂烩”中给筛选出来。教材介绍了什么方法？

生：用特定的选择性培养基进行筛选。

师：这种选择性培养基应具有什么功能？

生：只有融合的杂交瘤细胞才能生长，其余细胞都会死亡，从而能筛选出杂交瘤细胞。

师：什么样的培养基才能起到这种筛选作用呢？请大家看下面的资料：细胞合成DNA有D和S两条途径，其中D途径能被氨基喋呤阻断。淋巴细胞一般不能分裂增殖，而骨髓瘤细胞能不断的分裂增殖。淋巴细胞中DNA的合成有两条途径，而选择用来细胞融合的骨髓瘤细胞只有D途径，没有S途径。根据这一信息，你能否设计一个方案，从培养液中把杂交瘤细胞给筛选出来呢？

生：在培养液中加入氨基喋呤，然后从中选择能够生长的细胞就可以了。

师：分析一下为什么？

生：氨基喋呤会阻断D途径，加入氨基喋呤后，只有D途径合成DNA的骨髓瘤细胞以及同核融合细胞就会因不能合成DNA而死亡；含有S途径的淋巴细胞以及同核融合的细胞尽管有DNA合成的途径，但本身由于细胞不能增殖，因此也会在培养基中死亡。只有杂交瘤细胞，通过融合，既具有了骨髓瘤细胞能增殖的特点，又具有了淋巴细胞的S途径能合成DNA，才能在培养液中生长。

师：分析得很好。不过，刚才的分析中没有提及多细胞融合的，此类细胞通常不会增殖，因此在培养基中培养一段时间后就会死亡。这样，在培养基中选择出来的就只有杂交瘤细胞了。

杂交瘤细胞既具有骨髓瘤细胞能无限增殖的能力，又具有B淋巴细胞能产生抗体的功能，那么任何两种细胞间都能通过融合而具有两个亲本细胞的遗传性并且能够稳定遗传吗？

生：我猜测不一定。不同细胞融合后可能也会出现相互排斥的现象。

师：猜得有道理。请看下面的资料（投研究者用人的细胞与小鼠体细胞进行杂交得到的杂种细胞含有双方的染色体。但杂种细胞在持续分裂过程中仅保留鼠的染色体而人类染色体则逐渐丢失，只剩一条或几条。右图是人的缺乏HGPRT 酶突变细胞株（ HGPRT - ）和小鼠的缺乏 TK 酶细胞株（ TK一）融合后并在HAT培养液中培养的过程，结果表明，能够存活的细胞中存在人的染色体的情况有两种，一是只会有17号染色体存在，另一种是有3号和17号染色体同时存在。已知只有同时具有 HGPRT 酶和 TK 酶的融合细胞才可在 HAT 培养液中长期存活与繁殖。这个意外的结果，让研究者找到了将基因定位于染色体上的一种方法。

分析上面的资料，你认为可以定位哪种细胞的基因？能定位何种基因？分析你的理由。

生：由于只有同时含有HGPRT 酶和 TK 酶的融合细胞才可在 HAT 培养液中长期存活与繁殖，而融合细胞小鼠的染色体不丢失，也就是HGPRT酶不会缺乏，这样融合细胞能否存活就取决于是否有TK酶。根据资料信息，TK酶的基因在人的染色体上，因此如果融合细胞能存活，必定含有人的TK酶基因。根据实验结果，融合细胞必须含有17号染色体才能存活，由此就可推断人的TK酶基因位于17号染色体上。

 师：这是首例用细胞融合的方法进行的基因定位。人鼠细胞融合，没有留下双亲细胞的遗传性，但却找到了基因定位的一种方法，可谓是失之东隅，收之桑榆。在科学的发展史上，很多的发现都来自于“失败”，来自于“意外”，但要从失败与意外中有新的发现，需要研究者有敏锐的意识与眼光。

上面的教学片段一是将杂交瘤细胞的筛选方法具体化、过程化了；二是拓展了细胞融合的应用范围，将通过细胞融合进行基因定位的技术补充了进来。但需要强调的是上述拓展与补充的内容并不是教学的目标，这些内容是以信息的方式呈现给学生的，除拓展学生的视野，加深学生的认识外，更主要的目标在于以此内容为载体训练学生的思维，提高信息处理能力。如果将这些内容灌输给学生并要求学生掌握，那就偏离了教学目标。

5．重视归纳总结，形成知识的网络结构

   揭示知识间的内在联系，使学生的知识结构化、网络化是教学的基本要求。根据生物工程内容的特点，笔者引导学生从科学、技术、社会三个层面进行构建，具体指导以技术操作流程为核心，在此基础上分析操作的原理（科学），分析应用（社会）与技术的联系。

案例4：植物的组织培养的结构图

（图略）

通过此图揭示以下问题，并将它们联系成一个相对完整的结构。（1）植物组织培养的操作流程是什么？（2）什么可以作为外植体？为什么？（3）脱分化在什么条件下才能实现？为什么？（4）愈伤组织有什么特点？（5）再分化的实现需要什么条件？（6）植物组织培养有哪些应用？分别是哪个阶段的应用？这些应用的依据是什么？

再如，动物细胞核移植与克隆动物技术可构建类似的结构图，在此不再赘述。