“植物細胞工程”內容梳理及教學設計探索

齊鳳慧　由香玲　范桂枝

［摘 要］ 植物細胞工程是植物生物技術領域中應用最廣泛、取得多項里程碑式成果的一門技術。根據多年的教學實踐，提出了一些教學體驗。課程內容建設上，圍繞“一個總則、兩個方面”展開，給學生總結了一個線索圖，使他們更好地理解章節之間的邏輯關系。講課方式上，根據該課程的特點本著“生活中的植物細胞工程、科研中的植物細胞工程”原則進行講述，既讓學生感到植物細胞的成果就在身邊，又通過生物技術領域的最新研究成果，開闊學生的視野，加深對理論的理解，激發學生的學習興趣。

［關鍵詞］ 植物細胞工程；線索圖；課程建設

［基金項目］ 2021年度東北林業大學校級教改課題“基于新形勢下‘植物細胞工程原理與技術課程內容梳理及緊跟領域發展前沿的教學體系探討”（DGY2021-27）

［作者簡介］ 齊鳳慧（1976—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，東北林業大學生命科學學院高級工程師，主要從事細胞工程研究；由香玲（1971—），女，山東海陽人，博士，東北林業大學生命科學學院教授（通信作者），主要從事藥用植物細胞工程與次生代謝調控研究；范桂枝（1974—），女，山西平遙人，博士，東北林業大學生命科學學院教授，主要從事植物抗逆境研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0097-04 ［收稿日期］ 2022-12-29

植物細胞工程（plant cell engineering）是一門現代生物科學理論和工程技術相結合的綜合性學科，已滲透到生物學科的各個領域，成為生物學研究的重要技術和手段。植物細胞工程在醫療衛生、農業、環保、輕化工、食品保健等重要領域發揮著越來越重要的作用［1］。為了進一步提高生命科學學院生物技術專業本科生的能力，從而更好地適應社會對植物生物技術發展的要求，我們在2010年開設了“植物細胞工程”課程?，F就近年來我們對這門課程的建設和教學改革進行探討。

一、“植物細胞工程”課程內容的建設

（一）教材和參考書選擇

通過翻閱相關理論書籍以及長期在植物細胞工程方面研究的經驗，我們先后將李志勇編著的《細胞工程學》［2-3］和朱至清編著的《植物細胞工程》［4］作為主要教材，將周維燕主編的《植物細胞工程原理與技術》［5］、劉進平編著的《植物細胞工程簡明教程》［6］、謝叢華和柳俊主編的《植物細胞工程》［7］作為重要參考書。目前，隨著人們對植物細胞工程的認識不斷深入，有大量參考書出版，這些書對“植物細胞工程”的學習具有重要的參考價值。

（二）講課內容圍繞“一個總則、兩個方面”展開

在講述內容上，努力讓學生在有限的時間內既要對整個課程的理論有整體把握，也要在每一個實驗細節上操作準確。經過認真思考和查閱資料，我們先為學生準備了一個整體的“植物細胞工程”課程內容線索圖（如圖1）。從圍繞植物細胞工程基本的“一個總則——細胞全能性理論”開始，證明這個理論的兩個方面：植株再生和次生代謝物質生產，從一個細胞或多個細胞（愈傷組織）到一個完整的植株。緊緊把握兩條途徑：器官發生與體胚發生，從而讓學生掌握這兩條途徑的區別和發生條件，植物次生代謝產物的產生也是細胞全能性理論的重要體現。這部分內容首先讓學生了解為什么植物次生代謝產物的產生是細胞全能性的體現及該擴展理論的發現者。讓學生重點掌握如何獲得高含量目的次生代謝產物的材料，這涉及培養工藝——篩選材料和培養技術等。

植物細胞工程是理論和實踐的結合。上述理論在實踐中應用于很多方面，如農業育種、花卉培育、苗木生產等。器官發生途徑這部分內容選擇脫毒技術講給學生，主要以馬鈴薯、紅薯、大蒜等為題材，講述脫毒的技術過程和要點。次生代謝物質生產這部分內容結合目前植物生物反應器技術，列舉人參細胞和不定根、紫草細胞等產業化的過程，以及所需的設備、技術等，從而讓學生了解時代技術的最新發展。

我們根據上述理論，把實驗課程的內容設置成白樺芽分化、龍芽樬木體細胞胚發生、細胞融合觀察、三七細胞培養生產人參皂苷等。這些實驗涉及超凈操作技術、小型生物反應培養技術、顯微鏡操作技術、物質提取技術、分光光度計分析技術、高壓液相分離技術等。涉及設備和技術不僅能使學生進一步應用過去學過的操作技術，也有助于學生接觸更多的設備，從而學習更多的操作技術，對理論也會有更深入的理解。

二、教學方法及方式探索

“植物細胞工程”理論課和實驗課都采用多媒體課件的方式進行授課。理論課的講述方式本著“生活中的植物細胞工程”的原則，讓學生感覺到自己生活在植物細胞工程創造的世界中；而實驗課本著先動手，后動腦的原則，讓學生先按照教師的要求認真操作，然后仔細觀察，根據理論動腦分析數據得出結論。

（一）講述緒論部分——時光穿越

緒論部分是整個植物細胞工程的開篇之講，能否激起學生學習的興趣對今后整門課程影響很大。而這一部分的主要內容是介紹這門課的歷史發展及取得的成績。從1902年的細胞全能性思想的提出，到現在10噸生物反應器的規?；a藥用植物有效成分，如何在一堂課的時間里讓學生對植物細胞工程研究的內容及意義有整體的認識呢？我們以細胞全能性為主線索，結合每個歷史性突破時的社會背景，讓學生感受到歷史好像就是昨天。例如，介紹細胞全能性理論提出的時候，講述了德國植物學家G.haberlandt如何提出這個觀點的事例。Schleiden和Schwann于1838年和1839年提出了細胞學說：細胞是有機體，亦是生物體的基本結構單位，由它構成整個生物個體。當時（1902年）的植物學家對這個理論是承認的。因此，善于思考的G.haberlandt在此基礎上認為高等植物的組織、器官可以不斷分割直到為單個細胞；如果每個細胞都有植物個體一樣的性質和能力，可以通過植物細胞培養使單個細胞發育成為一個新個體。如何才能證實該思想呢？于是G.haberlandt做了很多器官、組織、細胞的培養，但是都未獲得成功，直到后來培養設備的提高，該培養才得以成功。截至目前，已經有上千種植物的離體培養獲得了成功。為了讓學生記住這位科學家及其理論的重要性，講述時提到同時代的物理學家愛因斯坦，因為1905年愛因斯坦提出著名的相對論。同時，提問并啟發鼓勵學生，G.haberlandt在60多年前理論的基礎上提出了偉大的細胞全能性理論，也希望同學們能夠就目前的理論、技術提出自己新的觀點，或延伸，或填補，或糾正，從而把學生從一百多年前又拉回到現在。

隨后講述20世紀30年代期間的一些典型事例來說明植物細胞工程技術的飛速發展。為了讓學生能注意了解這段發展期，筆者列舉了植物細胞工程技術領域中的很多矚目成績，推動著這一科學的進步。也可以聽一兩個愛好歷史的同學講一下那個年代相關的著名科研人物。學生將社會的情景、人與科學的發展聯系起來，使講述科學發展史的路線更加生動。

（二）課程中引入實際應用實例——生活中的植物細胞工程

“植物細胞工程”是一門技術性很強的課程。在講述理論時聯系實際的應用更能讓學生體會到其魅力。在講述植物脫毒培養時，除了講述該技術的操作過程及技術要點外，配以馬鈴薯的圖片——馬鈴薯花、大個頭的果實、豐收成堆的馬鈴薯等。在講述細胞融合技術時，講述馬鈴薯和西紅柿的故事，可以讓學生想一下我們身邊還有哪些可以通過細胞融合來創造的理想品種。能否通過奶牛和草的融合使牛不用吃草而直接通過身體里的葉綠素來進行光合作用，從而直接產奶。也可以舉例是否可以把松樹和小麥細胞進行融合，不必一年年的在土地上種小麥，松樹上長出小麥就收割，然后再長……。這樣既可以啟發學生的想象，又能活躍課堂氣氛。

在講述“次生代謝產物生產”的應用時，將植物生物反應器技術加入進去，以大量的詳細技術和豐富的圖片介紹在日本、德國、韓國等國家這項技術的產業化進程。從具體藥用植物的篩選技術、生物反應器的設計圖片、主要部件材料圖到生產材料加工的各種產品圖片、價格圖片等，以及該產業在這些國家每年創造的產值等信息。因為我國目前還沒有利用植物細胞生物反應器產業化培養植物材料，生產有價值次生代謝物質的技術。對于這項技術的研究，都是查閱最新的研究報告，以及我們出國訪問時所獲得的最新進展和圖片。因此在教學中，要開闊學生的視野，激發他們學習該課程的興趣。

（三）課程中引入最新論文成果——科研中的植物細胞工程

在“植物細胞工程”中，利用植物細胞培養生產植物次生代謝是很重要的內容。除了給學生講解目前實現產業化、商業化的人參不定根、紫草細胞、長春花等事例外，也可以講解一些藥用次生代謝物質的生物代謝調控機制，這也是目前基礎研究的一個熱點。講述這部分內容時，以最近發表的高水平藥用植物論文為例，通過相關的研究專題，把植物細胞工程的內容與其他領域的內容聯合起來進行講解，開闊同學的視野。

通過開辟丹參專題、人參專題，分別講解丹參酮、人參皂苷代謝調控的目的、過程及現狀。向學生介紹藥用植物對人類的巨大作用，尤其在我們傳統中醫中藥領域，藥用植物為我們中華民族服務了上千年，保佑我們子孫繁衍不斷，尤其是近三年來的新冠疫情，許多中藥對抗擊疫情起到了很大作用。還有中醫中的艾灸、藥浴等，其對提高人體免疫力、預防新冠病毒感染具有一定的作用，這是不是普遍現象呢？目前沒有定論，還需要對此做進一步科學論證得出結論。在當下及以后，相信我們的中醫中藥會有耀眼的表現，也需要相關研究者更為深入研究，從而服務人民。

通過結合神醫故事、神話傳說等，為學生引出這些藥用植物起作用的具體藥用成分或單體物質，而我們要獲得這些藥用成分就要分析、研究其生物合成及代謝的調控機制，進而給學生講解研究這些內容的技術過程。首先，通過組學（基因組、轉錄組、代謝組等）手段獲得合成丹參酮和人參皂苷通路上的系列關鍵酶基因，通過生物技術手段對這些關鍵酶基因進行功能分析，揭示其對人參酮和人參皂苷合成的作用。其次，通過尋找相關轉錄因子，研究其對通路中更多關鍵酶因的調控。這些看似不是植物細胞工程的內容，要想完成其功能驗證和基因調控，必須有非常完善的植物和高效的轉基因體系，這些都是植物細胞工程的重要技術和內容，而目前很多植物的再生體系及高效轉基因依然沒有建立，需要學生去研究探索，從而激發他們的學習熱情，進而向學生介紹我們研究這些代謝合成調控、關鍵基因酶還有一個重要的領域，即合成生物學?？梢园堰@些關鍵酶基因組裝到啤酒酵母中，從而實現單體物質的高效合成。通過一些產業化的青蒿素、人參皂苷單體RH、Rg3等的應用臨床現狀，鼓勵學生努力學習。通過這些故事講解，既能讓學生整體了解整個生物技術領域，以及植物細胞工程技術在其中的作用和位置，又能激勵學生繼續學習生物工程的熱情。

結語

本文主要就“植物細胞工程”課程建設內容及講課方式進行了探討。課程內容建設緊緊圍繞一個總則、兩個方面展開，并給學生總結了一個線索圖，讓他們對該課程有整體的把握。同時，在講課方式上，緒論注重讓學生有時空穿越的感覺，將植物細胞工程的一些偉大發現和思想，結合當時的社會環境更為立體地呈現在學生面前。根據該課程的特點，在實際應用和研究方面本著“生活中的植物細胞工程、科研中的細胞工程”原則進行講解，讓學生切身體會到植物細胞工程的成果就在身邊，以及目前最新研究成果及未來發展趨勢，從而激發學生的學習興趣。

參考文獻

［1］王華芳，吳田，姚洪軍，等.基于科教融合的“植物細胞工程”研究生課程教學改革［J］.中國林業教育，2020，38（1）：75-78.

［2］李志勇.細胞工程學［M］.北京：高等教育出版社，2008：2-103.

［3］李志勇.細胞工程學［M］.北京：科學出版社，2021：3-186.

［4］朱至清.植物細胞工程［M］.北京：化學工業出版社，2016：3-185.

［5］周維燕.植物細胞工程原理與技術［M］.北京：中國農業大學出版社，2001：3-195.

［6］劉進平.植物細胞工程簡明教程［M］.北京：中國農業出版社，2005：3-183.

［7］謝叢華，柳俊.植物細胞工程［M］.北京：高等教育出版社，2004：2-200.

Plant Cell Engineering Curriculum Content Design and Teaching Exploration： Course Design Based on the Living Examples and Newest Field Development Results

QI Feng-hui， YOU Xiang-ling， FAN Gui-zhi

（College of Life Science， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China）

Abstract： In the course content construction of Plant Cell Engineering， we focus on “one general principle， two aspects”and summarize a clue diagram for students， so that they can well understand the logical relationship between chapters. In terms of teaching method， the course is based on the principle of “plant cell engineering in life and plant cell engineering in scientific research” according to the characteristics of the course. It not only makes students feel that the achievements of plant cells are around， but also broadens their horizons and deepens their understanding of the course content through the latest research results and practical applications in the field of biotechnology， which will stimulate students interest in learning.

Key words： Plant Cell Engineering; clue diagram; curriculum content construction