高中生物学新课程知识释疑——“现代生物科技专题”模块，本文主要内容关键词为：生物学论文,新课程论文,生物科技论文,模块论文,高中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
按照高中生物学新课标的内容标准编写的课本中，都有“现代生物科技专题”模块，该模块以专题形式重点介绍现代生命科学和技术在一些重要领域的研究热点、发展趋势和应用前景等科普性知识。由于本模块涉及的领域研究进展迅速，知识内容的充实和更新快，来源不同的相关资料存在些许差异，给教师的备课和教学带来困难。本文仅就几个基础知识中的疑难问题谈谈个人学习体会。
一、获得目的基因的途径
在各个版本的高中生物学课本中，基因工程专题主要介绍基因工程的生物学基础、技术条件、操作流程、应用和发展前景等，其中，基因工程的基本流程和相关技术条件是重点内容之一，可用图解表示如下：
图1 基因工程基本流程图
基因工程的基本流程可分为：分离、酶切、连接、转化、筛选、鉴定6个基本步骤，相应的技术原理和途径概括如表1。
获得目的基因是基因工程操作的重要技术之一。目的基因主要来源于各种生物，特别是人和动植物染色体基因组中蕴含大量的基因，此外，原核生物的染色体（即DNA）基因组、质粒基因组、病毒基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组也是目的基因的来源。获得目的基因有多种途径和方法，目前常用的方法大致如图2。
获得目的基因首先要从生物材料中提取DNA和获取目的DNA片段。一般方法是：将细胞破碎，用NaCl不同梯度溶液使染色体DNA与蛋白质分离，粗提取DNA。然后，用苯酚、氯仿等去除蛋白质，用2倍体积的冷乙醇处理得到DNA絮状沉淀，再用RNA酶去除RNA，再去除多糖等杂质，得到较纯的DNA（图3）。最后，用柱层析或密度梯度离心，得到纯DNA分子。在适宜的温度条件下，DNA样本经限制性内切核酸酶的作用，形成待用的DNA分子片段。
分离目的基因有多种途径，根据目的基因的大小和对其序列的了解程度，选择适宜的方法。若已知目的基因序列，可选用化学方法合成目的基因。由于组成基因的DNA片段比较长，一般是先按基因的核苷酸序列合成几个200 bp左右的DNA片段，再采用全片段酶促连接法组装成完整的目的基因（图4）。
若已知目的基因的全部序列且基因长度为1 kb左右，可采用常规PCR反应扩增分离目的基因。PCR反应是模仿细胞内DNA复制原理设计的，以DNA互补链聚合反应为基础，通过靶DNA变性、引物与模板DNA一侧的互补序列复性杂交、耐热性DNA聚合酶催化引物延伸等过程的多次循环，扩增目的基因的DNA片段（图5）。
如果目的基因的核苷酸序列是未知的，且承载基因的DNA分子较小，例如，质粒和病毒DNA只有几kb，编码蛋白质的基因也较少，用适当的限制性内切核酸酶切割一次或几次，即可分离出含有目的基因的DNA片段。如果某种生物基因组较大，则需要建立一个包括目的基因在内的基因文库，从基因组文库或cDNA文库中获得目的基因。
把某种生物基因组的全部遗传信息通过克隆载体贮存在一个受体菌克隆的子群体中，这个群体即是该生物的基因组文库。若这个群体中只贮存某种生物基因组的部分遗传信息，则称为部分基因组文库。
cDNA文库的构建原理与基因组文库不同，它是某种生物基因组转录的全部mRNA，经过逆转录过程产生的各种cDNA片段分别于克隆载体重组，贮存在一种受体菌克隆的子群体中形成的。
cDNA文库的一个克隆子含有一个基因的全部编码蛋白质的序列，不含内含子、启动子和终止子的核苷酸序列，因此，从cDNA文库获得的目的基因应在其两侧组装启动子和终止子等元件。高中生物学教学不涉及这些知识。
二、植物组织培养中的激素应用
植物组织培养是植物细胞工程的核心技术之一，它是在无菌和人为控制营养成分、光照、温度和湿度等条件下，诱导植物器官或组织的细胞经过脱分化和再分化过程，培育成胚状体乃至整体植株的技术。
进行植物组织培养，一般要5个阶段：①准备阶段：选择合适的外植体并除净外植体表面的各种微生物,人工配制用于不同培养阶段的适宜培养基；②诱导去分化阶段：在诱导去分化培养基上，外植体细胞重新处于旺盛有丝分裂的分生状态，形成绿色的愈伤组织；③继代增殖阶段：将愈伤组织切割成小块，移植到新培养基上进行扩增；④诱导丛芽和生根阶段：将愈伤组织移置于适宜培养基上，分化长出一定数量的丛生芽，然后再诱导生根，从而形成试管苗；⑤移栽成活阶段：将试管苗移栽到光照、温度和湿度适宜的室外条件下培育成组培苗。
在植物组织培养过程中，需要依次配制：诱导愈伤组织培养基、诱导丛芽培养基、诱导生根培养基。虽然用于组织培养的培养基多种多样，通常都包括三大组分：①含量丰富的基本成分，如蔗糖、琼脂等有机添加物，以及氮、磷、钾、镁等；②微量无机物，如铁、锰、硼酸等；③微量有机物，如吲哚乙酸、细胞分裂素、维生素、肌醇等。
由于培养目标的不同，各种培养基中的细胞分裂素与生长素含量的变动幅度很大。我国植物生理学家崔澂等学者的研究表明，细胞分裂素与生长素的比例高利于芽的发生，两者比例低则利于生根。以菊花为材料进行组织培养时，各种培养基中使用人工合成的萘乙酸(NAA)和苄基腺嘌呤(BA)的含量大致如下：
值得思考的是，在上述的诱导生根培养基中，6-BA/NAA的比值仍然为1，与诱导愈伤组织培养基中6-BA/NAA的比值一样，那么，为什么认定其培养基中6-BA/NAA比值低且诱导生根呢？原来，接种到诱导生根培养基上的材料是长出丛芽的组织块，丛芽的顶端分生组织合成的生长素向下运输，使组织块下部细胞处于6-BA/NAA比值低的环境状态中，因此，利于丛芽组织生根而形成试管苗。正因为如此，有些物种（如非洲紫罗兰、矮牵牛等）的植物组织培养过程，诱导愈伤组织形成胚状体只要更换一次培养基，该培养基中6-BA/NAA的比值利于诱导愈伤组织长出丛芽，然后在丛芽基部诱导生根。
三、哺乳动物的配子发生和融合
胚胎工程主要涉及对动物胚胎的操作，包括排卵、体外受精、胚胎培养和保存、胚胎移植、胚胎分割与嵌合等多项技术。胚胎工程技术使哺乳动物的繁殖突破了空间和时间的限制，为家畜良种的繁殖、发育和推广提供了快速高效的方法。哺乳动物的配子发生和融合是其实施胚胎工程技术的重要理论基础。
动物的配子发生是指精子生成和卵细胞生成。哺乳动物的精子发生在睾丸的曲细精管内，由精原细胞发育并演变为精子的过程,可分为增殖期、生长期、成熟期和变形期4个阶段，用图解表示如图9。
运动是精子的主要生理特征。哺乳动物的精子离开睾丸时虽然已经高度分化，但不具有运动能力。精子通过附睾与精液混合后，才具有明显的活动能力，它的活动方式是头部沿纵轴呈螺旋状转动，尾部则做波浪状运动。每分钟尾部波动约15～20次。据观察，牛精子运动速度为94～123μm/s，马精子为87μm/s。
雌性动物的卵细胞发生主要在卵巢内进行，胚胎时期由内胚层转移到生殖腺的原始生殖细胞，在性别分化后发育成卵原细胞，并形成原始卵泡，原始卵泡随着胚胎发育而进一步发育。卵泡是卵细胞发生的场所，动物出生时两侧卵巢内约有几百万个原始卵泡，以后则逐渐退化，性成熟时仅存数万个。从性成熟开始，每个性周期有多个原始卵泡发育成生长卵泡，最后只有一个或多个卵泡发育成熟并排卵，其余的原始卵泡在发育过程中退化。从卵原细胞开始，卵细胞的发生过程可分为繁殖期、生长期、成熟期，用图解表示如下：
从上面的示意图看出，卵细胞由卵巢内的卵泡产生，成熟于受精过程。原来，在雌性动物胚胎时期卵巢皮质浅层有数百万个原始卵泡，每个原始卵泡都由中央的一个初级卵母细胞和周围一层扁平的卵泡细胞构成，初级卵母细胞是由卵原细胞分裂分化形成的。出生后，初级卵母细胞已进行减数第1次分裂，并长期停滞在分裂前期。性成熟后，原始卵泡开始分期分批地生长发育，初级卵母细胞结构发生一系列变化。首先，初级卵母细胞体积不断增大，靠近质膜处出现许多皮质颗粒；在初级卵母细胞与卵泡细胞之间出现透明带，其主要成分是糖蛋白，透明带对精卵识别和特异性结合具有重要意义。哺乳动物的初级卵母细胞周围，只有透明带而形成卵黄膜。当卵泡细胞之间形成一个半月形的卵泡腔时，初级卵母细胞直径可达100μm左右,紧贴透明带的一层卵泡细胞排列形成放射冠(图11)。多数动物在卵泡发育成熟前，初级卵母细胞恢复分裂活动，在排卵前完成减数第1次分裂，形成1个较大的次级卵母细胞和1个很小的第1极体。第1极体位于次级卵母细胞和透明度之间的卵周隙内，大多数很快退化消失。马和犬的初级卵母细胞在排卵后完成减数第1次分裂。多数动物排出的次级卵母细胞，若在输卵管的壶腹部遇到精子可发生受精，并迅速完成减数第2次分裂，形成1个卵细胞和1个第2极体。有些哺乳动物的第1极体也随之进入减数第2次分裂，但一般停滞在分裂中期的前后。
哺乳动物刚射出的精子只有在雌性生殖道（主要是子宫和输卵管）内或类似生殖道环境的培养液中停留一段时间，才具有受精能力，精子经历的这个过程称为获能。一般认为，精子头部表面有一层来自精液的附睾蛋白和精浆蛋白（称为去能因子），可阻止顶体酶的释放。在雌性生殖道内有关酶催化下，精子表面的附睾蛋白和精浆蛋白被去除或改变，质膜胆固醇流失，与卵子结合的受体暴露。获能期间，钙通道被激活、耗氧量和糖酵解明显增加，pH升高，腺苷酸环化酶激活，导致胞内cAMP含量升高，蛋白激酶A活化，精子活力增加，顶体酶原转化为有活性的顶体酶。
精子获能是哺乳动物受精过程的第1阶段，受精过程的完成尚需经历精子与卵的相遇、相识、相触和相融等阶段，用图解表示如图12。
哺乳动物的精子进入雌性生殖道后，主要依靠子宫和输卵管的平滑肌收缩，以及输卵管管壁上皮纤毛的摆动，到达输卵管的壶腹部，精子本身运动所起的作用很小。不同动物精子在雌性生殖道内被输送的时间长短不同，小鼠和猪的精子在15 min内可到达受精部位，兔子则需要3 h。到达输卵管壶腹部的精子，首先借助头后部（顶体后区）质膜PH-20的透明质酸酶活性，溶解放射冠卵泡细胞之间的胶样物质，穿越放射冠到达透明带，其顶体表面的ZP结合蛋白与卵母细胞透明带上的ZP3（精子受体）完成相互结合识别的过程。然后，精子释放水解酶将卵子的透明带溶解，形成精子穿过的通道，精子由此通道穿过透明带进入卵周隙，到达卵质膜的表面，其膜蛋白与卵母细胞膜上受体相结合，精卵的相互接触使次级卵母细胞被激活。
次级卵母细胞激活的标志是诱发皮层反应和减数分裂的完成。精子与卵细胞的接触，导致卵质膜去极化，动作电位由接触点传至膜表面。在精子接触点上，磷脂酰肌醇信号途径启动，激活蛋白激酶C，启动DNA的复制，导致内质网释放钙离子。化钙信号诱导卵质膜下的皮层颗粒以外排方式进入卵腔隙，在皮质颗粒释放的酶类作用下，透明带发生生化和结构性变化，特别是精子受体失活，从而阻止其他精子入卵，称为透明带反应。与此同时，皮质颗粒膜的嵌入导致卵质膜发生重组，重组后的卵质膜也可防止多精入卵，称为卵质膜反应。在发生上述反应的同时，精子头部质膜与卵质膜融合，精子的细胞核和细胞质被“拖入”卵内，精子的质膜填补在入口处，成为受精卵质膜的一部分。
哺乳类阻止多精入卵的机制不同。人和犬主要依靠透明带反应，兔子主要依靠卵质膜反应，鼠既依靠透明带反应，又依靠卵质膜反应。值得注意的是，哺乳类的初级卵母细胞与卵泡细胞之间没有卵黄膜，其受精过程也不发生卵黄膜封闭作用。也不能将哺乳类受精过程的卵质膜反应，与鱼卵受精过程的卵黄膜封闭作用混为一谈。
精子入卵后，细胞核膨大并形成雄原核。精子进入激发次级卵母细胞完成减数第2次分裂，形成成熟卵细胞和第2极体，成熟卵的核称为雌原核。雌原核与雄原核相向移动，彼此靠近接触，随之核膜消失，2组染色体排列在纺锤体中央的赤道板上，形成即将进入第1次卵裂的合子。
四、生态工程的基本原理
生态工程的概念是1962年由美国生态学家H.T.Odum首先使用的。1979年，我国生态学家、生态工程建设先驱马世俊先生给生态工程下定义为：“生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合结构优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统”，并提出“整体、协调、循环、再生”的生态工程理念。
近20年来，以生态系统为中心、以时空耦合为主线，以人地关系为基础，以高效和谐为方向，以持续发展为对象，以生态工程为手段，以整体调控为目标的应用生态学迅速发展起来，在整个生态学领域已经占有重要地位。1982年，Walker在“应用生态学分析”中曾列举出32条原理作为生态工程建设应遵循的基本原理，主要包括：物种多样共生原理、生态结构和谐原理、生态功能高效原理、效益协调统一原理、复合调控原理等，其基本内容概括如下：
20世纪80年代以来，农业生态工程和生态农业在我国各地蓬勃发展。生态农业有明显的区域特色，其设计模式具有多样性和层次性，但无论哪种生态农业模式设计都应遵循生态工程的基本原理。例如，“四为一体”生态模式是农户层次的一种新型农业生产模式，如图13所示。
从图解看出，“四位一体”生态农业模式以太阳能为动力，以沼气为纽带，将阳光温室、沼气生产、种植和养殖相结合，形成一个结构和谐的生产良性循环系统；运用先进的生产技术，充分利用有限土地、时间、劳力和资金，实现节约经营，获得经济、生态、社会三者整体综合效益的增长；实现废物资源化，物质循环，多级利用；家庭生产经营模式便于将人工调控与自然调控的结合，将资源利用与保护相结合，实现可持续发展。总之，在“四位一体”生态农业模式中，“整体、协调、循环、再生”的生态工程理念得到体现。