基因工程技术范文

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沃森（Waston）和克里克（Crick）在1953年提出DAN的双螺旋模型，奠定了基因工程的理论基础。20世纪70年展起来的DNA重组技术，促进了基因工程的迅速发展。通过基因工程，人类可以按照自己的意愿，利用DNA的重组技术在体外对基因进行改造和重组，最后将重组后的基因导入受体细胞内，从而按照人类的意愿改造生物的遗传信息。基因工程目前已被广泛地应用于农业、畜牧业、医药及环保等领域。

1.基因工程在农业上的应用

传统育种主要是通过有性杂交产生变异，可通过选择固定优良变异，在提高作物产量、提高作物的抗逆性等方面做出重要贡献。但是，传统育种方法只能近缘杂交，不能远缘杂交，因此可利用的资源越来越少，传统育种面临着越来越大的挑战。基因工程克服了传统方法不能远缘杂交的问题，在育种方面贡献巨大。人类可以通过植物基因工程技术，培育出符合人们需要的、具有更高价值的作物[1-2]。

基因工程在农业上的应用可谓硕果累累，基因工程可提高农作物的抗逆能力（如抗病、抗虫、抗干旱、抗除草剂等）、改良农作物的品质以及可利用植物生产药物等。提高抗逆性的原理是：从某些生物中分离出具有抗病、杀虫活性、抗干旱、抗除草剂的基因，并将其导入作物中并表达，使其具有抗逆性。荷兰和以色列两国的科学家从草莓细胞线粒体中提取一种酶基因，将其导入拟南芥菜中，使转基因拟南芥菜产生两种能吸引害虫天敌的化合物，从而达到杀虫的目的。西红柿很容易腐烂，运输和储藏很不方便，因此都是在西红柿未完全成熟时就摘取下来，在运输过程中再催熟，降低了西红柿的口感。而利用基因工程技术培育出来的西红柿不易腐烂，便于贮藏和运输，允许西红柿完全成熟后再摘取，销售时仍能拥有良好的口感。

2.基因工程在畜牧业上的应用

随着基因工程技术的发展，人们不断培育出生长速度更快、体型更大、产量更高、更具观赏性以及抗疾病能力更强的家畜家禽品种[3]。1982年科学家利用基因工程技术将大白鼠的生长激素基因导入到小白鼠的受精卵内，培育出体型比正常白鼠大的“大白鼠”。同样地，科学家又将牛的生长激素基因导入小白鼠的受精卵内，得到了体型超大的“超级小白鼠”。此后，人类不断培养出转基因猪、鱼、牛、羊、兔等等。基因工程为畜牧业的发展做出重要的贡献。（1）通过基因工程，人类可以对家畜家禽的性别进行预选。这对于产奶和产蛋的家畜家禽来说非常重要，因为这些只由雌性动物来完成。（2）通过基因工程，人类可以改良动物的品质。例如转基因羊的净毛平均产量要比一般的绵羊高出62%，而通过基因工程技术，用高产奶的优质奶牛的细胞，可以培育出大量高产奶的奶牛，大幅度提高畜牧业的经济效益。（3）通过基因工程，人类可以培养出抗病能力强的动物品种。在家畜家禽的饲养过程，常遇到“瘟疫”，出现家畜家禽大面积死亡，给畜牧业带来重大损失。通过向家畜家禽移植抗病毒基因，可显著提高它们的抗病能力，避免经济损失。（4）通过转基因工程，可以培育出更具观赏性的动物。例如像老鼠一样大的兔子，像猫一样大的迷你型小马。同时，有些昆虫在夜里能发出迷人的荧光，通过基因工程技术，可以将这些昆虫的发光基因导入鱼内，从而培育出极具观赏性的“荧光鱼”。

3.基因工程技术在医药领域的应用

基因工程在制药领域拥有独一无二的优势。例如，胰岛素是治疗糖尿病的特效药，在基因工程胰岛素之前，它只能从猪、牛等动物的胰腺中提取，而100 kg的胰腺只能提取4-5克的胰岛素，因此其价格极高。通过基因工程细菌发酵法生产胰岛素[4]，具有经济、简单和易操作等优点。将事先重组好的胰岛素基因植入大肠杆菌，每2000 L大肠杆菌培养液中就能生产出100 g的胰岛素。通过基因工程细菌发酵法可大批量生产胰岛素，大幅度降低其价格。干扰素在治疗病毒感染方面可谓是“万能灵药”，以往都是从人的血液中提取，300000 L血液才能提取1克的干扰素，因此极其昂贵。我国利用基因工程技术生产出干扰素α-2b，其具有抗病毒、抑制肿瘤细胞增生提高人体免疫功能的作用，被公认为肿瘤生物治疗的首选药物。

此外，基因工程还可应用于疫苗的研发和生产。其原理是利用基因工程技术分离出病原中的保护性抗原基因，将其导入原核或真核系统中并表达，制成疫苗。基因工程疫苗不同于传统方法制备的疫苗，由于它只含有致病细菌或病毒的抗原，因此更安全有效。

4.基因工程在环保上的应用：

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中图分类号：F32 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2014）03-181-01

近年来，生物技术的发展日新月异。自从1983年首次获得转基因植物以来治污工程技术研究进入蓬勃发展阶段。目前，植物基因工程爱农业生产上的应用深刻影响到农业生产的方式和效益，在解决人类所面临的环境恶化、资源匮乏等问题方面显示出巨大的作用。

一、植物基因工程在农业上的应用现状

从1986年美国和法国首先在进行以耐除草剂标记基因的转基因烟草田间试验到1997的12年间，全球大约进行了25000次转基因作物的田间试验，涉及10个国家、60种作物、10个性状。基因工程的发展极为迅速，其在农业上的应用主要有以下几方面。

（一）在优质丰产及综合性状改良育种上的应用

作物的丰产优质一直是人们所追求的目标。基因工程育种的主要目标就是优质丰产育种，90年代前在农作物上的应用广泛，且主要是提高农作物的产量，近期则侧重于提高品质，如：美国科学家据此提高马铃薯淀粉含量达20%-40%，最高达到40%-60%.用反义基因技术培育出了极耐储藏的番茄，这种番茄采收后可置于室温下2-4个月任然保持绿色，植物转基因技术的应用使的反季节蔬菜备受欢迎。

（二）在抗性基因工程上的应用

植物病毒和虫害往往使农业生产产量蒙受严重损失，农作物损害的三分之一可归咎于病害，而植物虫害也使全世界每年大约损失数亿美元。基因工程的发展为培育抗虫害的作物提供了新的方法，从而开辟了植物抗虫害育种的新时代。利用基因工程手段培育康虫害作物品种可克服常规育种的不足：1.它不仅利用存在于植物中的抗病虫基因，还可以利用某些动物、微生物中的抗性基因，将其从组到植物染色体上，并使之在植物体内特定地遗传及表达，从而产生抗病虫害性状，因此基因资源非常丰富。2.该性状具有连续性和整体性。3.育种周期短，成本低。4.利用基因工程培育抗病虫作物品种还具有不污染环境及抗病虫物质不易被环境所破坏的优点。

（三）在非生物胁迫育种上的应用

通过化学方法来控制杂草已成为现代化农业不可或缺的一部分。除草剂的年产量和销售量已经跃居农药之首。除草剂的应用情况取决于作物对除草剂的敏感性、除草剂的性质和施用除草剂的花销，这就限制了这些除草剂的应用。耐除草剂的转基因植物的出现，不仅扩大了现有除草剂的适用范围，而且还影响新型除草剂的设计和使用。近年来，关于除草剂模式和生物中存在的除草剂的抗性机理研究，为植物耐除草剂的基因工程奠定了坚实的基础。目前，耐除草剂的基因工程主要有两种策略：（1）修饰除草剂作用的靶蛋白，使其对除草剂不敏感或促其过量表达以使植物吸收除草剂后任能进行正常的代谢。（2）引入酶或酶系统。

这两种策略都已成功的应用。如今已培育出了耐草甘膦和草铵膦的作物。

（四）在植物医药基因工程上的应用

在国际上植物基因工程研究的一个新发展趋势就是医用转基因植物生产药物。目前，这方面的成就主要表现在两个方面，一是成功的在植物中表现抗体，二是成功的用植物来生产某些动物的疫苗。植物抗体还可以避免由于动物自身所患某种疾病通过抗体再传染给其他的人畜的危险。同时，植物生产的抗体还可以以种子的形式大量储藏并且便于运输。

二、植物基因工程在农业应用上存在的不足

（一）基因工程本身的发展局限

目前，已获得了许多植物的转基因植株，但实际上都是经过了大量的重复试验而得到的几个转化体克隆，特别是主要的乔本科粮食作物转化率更低，成为植物基因工程发展的主要限制因素。如今乔谷类粮食作物高频再生受体系统中存在的问题更为突出。

（二）植物基因工程与农业资源遗传多样性保护

现代农业在选择良种的同时已不知不觉的淘汰、丢弃了大量所谓的低劣的原始品种，造成了农业遗传多样性的极大损失。依靠植物基因工程技术能够创造在逆境中生长并且优质的“超级品质”，从而有可能加剧农业资源多样性的单一和匮乏。因此必须把目的基因开发利用与生物基因文库保存有机地结合起来。

（三）基因工程与病虫抗药性

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转基因成果，最早出现在20世纪80年代。美国科学家把只发育了五六天的山羊和绵羊的胚胎取出来，然后将山羊的胚胎细胞注入到绵羊的胚胎细胞里面，让它在试管里发育一段时间，再移入绵羊的子宫里。结果，生育出来的是长着山羊胡子绵羊毛的“怪羊”，很难说它是山羊还是绵羊了。

转基因技术与植物、动物的“杂交”不同。杂交，都是在植物或动物的同一种属之间进行的，是能够进行杂交的；而转基因则可以将根本不能进行杂交的生物“结合”在一起。比如，将动物与植物“结合”在一起，这在过去会被认为是“天方夜谭”。然而，基因工程却可以做到这一点。

草莓是极不耐寒的植物，尤其是果实受冻以后味道很差。为了改变这种状况，俄罗斯的科学家将北极耐寒的比目鱼的御寒基因移植到草莓的细胞中，从而得到一种耐寒的草莓新种。

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）04-0149-02

随着地方普通本科高校应用转型发展的深入推进，培养生产服务一线的高层次技术技能人才成为地方本科院校的主要任务，专业及课程设置“对接行业和产业链、对接职业岗位需求”已成为共识。以职业需求为导向、以实践能力培养为重点、以产学结合为途径的人才培养模式正逐步形成。因此，对于课程体系的设计需要按照工学结合、知行合一的要求，根据生产、服务的真实技术和流程构建知识教育和技术技能体系。

基因工程是在分子水平上进行DNA体外重组，通过转基因技术对生物体进行遗传改良的一门新兴学科，是当代生命科学研究领域最具生命力、最引人关注的前沿学科之一，已发展成为现代分子生物学的核心内容[1]。基因工程在医学、农业、工业、环保、能源等领域应用广泛，已经渗入到我们生活的各个方面，并具有良好的应用前景。基因工程作为高校生物学相关专业的主干课程之一，其课程质量的好坏直接关系学生的专业素质和职业能力培养，直接影响大学生毕业后在相关领域的就业质量[2，3]。基因工程与生物化学、分子生物学、遗传学和微生物学等学科知识内容交叉，涉及的知识面广且比较抽象，因而相对复杂难懂。为适应应用型人才培养的要求，提高基因工程课程的教学水平，本文针对基因工程课程的教学内容、教学方法与手段、考核评价方式等方面进行了探索式的教学改革，旨在提高课堂教学质量，提升学生的就业适应能力，使毕业生与岗位需求“零距离”。

一、课程设计基于技术流程，对接行业和职业岗位需求

在高校转型突出应用性和实用性的背景下，压缩理论学时，增加实验实训课时是普遍的做法。基因工程课程与多门生物学课程知识交叉，理论内容庞杂，实践性很强，但目前出版的基因工程相关参考书为保证知识体系的完整，有不少内容与学生前期掌握的生物学基础课程知识重复。我校在应用转型发展后对基因工程教学计划进行了调整，理论课由50学时压缩至30学时，因而必须对知识体系进行重构，优化教学内容。笔者以袁婺洲主编的国家精品课程教材《基因工程》为主要参考书，同时结合吴乃虎主编的《基因工程原理》第2版、楼士林等编著的国家理科基地教材《基因工程》、何水林主编的普通高等教育“十一五”规划教材《基因工程》、T.A.Brown主编的《Gene Cloning DNA Analysis》第6版、J.E. Krebs等主编的《Lewin基因X（中文版）》2013版以及郑振宇、王秀利主编的生命科学类“十二五”规划教材《基因工程》等，打破了传统的知识内容体系，围绕基因工程行业和企业现实生产中的基本技术流程“分、切、接、转、增、检”进行课程设计，将课程内容按照六字技术流程进行分解教学，对每个流程辅以应用案例，如将转基因抗虫棉、转基因荧光鱼的培育融入教学过程中，让学生既能从总体上把握课程内容体系，又能在自己感兴趣的关键环节进行重点突破。同时在教学过程中紧密联系最新的相关研究技术成果，紧跟基因工程学科前沿，以开阔学生视野，激发其学习热情。

二、改进教学方法，提高教学效果

高等教育教学改革的重要内容之一是教学方法的改革，教学方法必须结合课程特征进行相应的改革。对于基因工程基础知识的讲授，主要采用问题引导式教学，让学生跟着设置的问题，依靠自主学习掌握基本的知识点。同时，基因工程技术的应用已深入到人们的日常生活之中，有许多内容都是人们经常关注的重点，例如转基因植物、转基因动物、基因工程食品的安全性、基因治疗等。学生通过各种方式接触到基因工程相关知识和信息时，也能够主动发现问题并针对问题提出个人见解。鉴于此，在教学过程中结合相应的技术流程环节开展“小组讨论式”教学。一是针对基因工程技术流程的理论讲解，在教学活动中留给学生一定的时间，鼓励学生分组讨论，并选出一名组长上讲台以PPT的形式汇报本小组的学习心得，提出疑惑，再由教师给予解答，活跃课堂气氛，调动学生学习的自觉性和积极性。另一方面，针对基因工程中的社会热点问题，如转基因安全性分组开展辩论赛，教师提前两周布置任务，让学生广泛查阅资料，在辩论交锋中收获更多书本上没有的知识，丰富学生的知识储备。这样既可以培养学生查阅、整合资料的能力，又能锻炼学生的表达能力，为以后考研或者工作积累经验。

三、实验与理论配套，提升学生的动手能力

基因工程课程本身实践应用性强，因而要将理论教学与实验教学相统一，才有利于学生巩固理论知识，同时培养学生的全局思维、独立解决问题的能力。这正符合现代教育学派代表杜威主张的“从做中学，从做中求进步”、“理论不能脱离于实践，理论是关于实践、为了实践和通过实践”的观点。然而，在传统基因工程的实验教学中，因实验条件和课时的限制，往往只选择一些容易开展的验证性实验，如DNA和RNA的提取、琼脂糖凝胶电泳、质粒DNA的限制性酶切、大肠杆菌感受态细胞制备与转化等，学生只是简单机械性地掌握一些具体的实验技术，对整个技术流程缺乏全面的认识，不能将理论与实践相联系。为此，课程组在基因工程实验教学的设计上，与理论教学的“分、切、接、转、增、检”六字技术流程相配套，结合本学院科研工作的实际情况，依托省高校重点实验室技术平台，以富含多糖的转基因铁皮石斛获得为目标，在每个技术环节开设一个实验，从分离获得铁皮石斛尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因（UGPase）开始，到构建表达载体，农杆菌转化铁皮石斛原球茎与分子检测，构建一体式连贯性的实验教学体系，上一个流程的实验结果作为后一个实验的材料，因此学生必须在每个实验环节掌握相关技术，拿到下一流程所需的材料，才能顺利进行后续实验，并最终形成产品。

四、完善考评体系，提高综合素质

单纯的卷面考试往往会让学生依赖复习资料死记硬背，并未真正理解和掌握相关理论知识与技术，更不利于学生创新意识、科学思维与实践能力的培养，很难准确评估学生对课程的综合学习情况，而合理的课程考核体系有助于激发学生的主观能动性。为了更科学有效地衡量学生的学习情况，从多个角度考察学生思考问题、解决问题和串联知识的能力，我们分别对基因工程理论课程和实验课程的考核方式进行了改革，理论课程由平时成绩（40%）和期末试卷（60%）两部分组成。其中40%的平时成绩包括出勤10%、作业10%、课堂表现10%以及加分项10%。尤其是加分项目，主要综合考虑学生的创新思维、小组讨论参与度、组织与口头表达能力等，提升了学生的主动参与意识和积极性。期末试题的设置加重主观命题分数，避免学生死记硬背，注重检验学生对基因工程相关知识的应用能力，考查学生对课程的真正理解和掌握。实验课程的总成绩由4部分组成，其中实验相关理论考试占50%、出勤率占10%、实验报告占10%、实验操作占30%，在实验操作中主要检验学生的实验习惯与科研素养、实验的准确性与严谨性。通过建立多元化的课程考核体系，既能考核学生的综合能力，又能“以考带学”，促进学生对理论知识和实践技术的掌握。

五、结语

基因工程技术在飞速发展，相关研究成果日新月异，对该课程的改革需要紧跟学科技术前沿，更新观念、不断探索、不断调整。注重以学生为中心，提高学生学习的自主性和对知识掌握的灵活性，让学生在“做中学”、“做中进步”。通过近两年在基因工程课程教学中的探索，我们基于技术流程在基因工程的教学内容、教学方法、实验实践、考核评价体系等方面进行了初步的改革，并取得了较好的效果。

参考文献：

[1]郭宝英，刘慧慧，杨静文.二本院校基因工程教学改进与实践[J].教育教学论坛，2015，（3）：119-120.

[2]董妍玲，潘学武.应用型人才培养目标下基因工程实验教学改革的实践[J].黑龙江畜牧兽医（科技版），2013，（6）：175-176.

[3]卢敏.高校《基因工程概论》课程教学改革初探教育教学论坛[J].教育教学论坛，2016，（15）：97-98.

Research on the Teaching Reform of Gene Engineering Based on the Concept of Technological Process

ZHANG Zhi-yong，QI Ze-min，XU Dan-dan，ZHANG Nan