新教材选择性必修3《生物技术与工程》答疑

01

 

 

 

醋酸菌利用葡萄糖生成醋酸是不是要经过酒精发酵这一步?

 

第一个问题是醋酸菌利用葡萄糖生成醋，醋酸是不是要经过酒精发酵这一步呢？老师们问题的提出是源于教师教学用书中有这么一句话，除了以酒精为原料来生产食醋，无需酒精发酵过程。酒精发酵过程是食醋酿造的必经过程。

在我们的教材中，醋酸菌代谢葡萄糖的反应式是这么写的。老师就问在这个过程中没有酒精生成，那为什么酿造食醋一定要经过酒精发酵呢？其实，醋酸菌代谢葡萄糖的反应过程是十分复杂的，其中就涉及乙醛转化为乙醇。乙醇再生成醋酸的这么一个途径。教材给出的是一个最终的反应式。老师们特别关注这个问题，可能是受一些教辅资料的影响，一些教辅资料往往会过度的解读，认为在这个过程中没有酒精产生，这是不正确的。

那为什么酿造食醋要经过酒精发酵的过程呢？这就需要我们从工程实践的角度来分析这个问题。因为我们的工程实践往往追求的是高效和高产值。首先就会利用酵母菌来进行酒精发酵，然后再利用醋酸菌来进行醋酸的发酵。这样这个过程是比较高效的。所以老师们在教学的时候，一定要帮助学生树立从工程实践的角度来思考问题的意识。

 

02

 

 

 

为什么新教材中制作泡菜的食盐浓度改成了一个范围?

 

在传统发酵技术的应用这一节，老师们特别关注的还有一个问题，就是在新教材中制作泡菜的食盐浓度怎么改成了一个范围呢？在新教材中，这个范围写的是质量分数为5%到20%的盐水。我们都知道我们中国的饮食文化是非常丰富多彩的。我们国家生产的泡菜的种类也是很多的，有低盐泡菜，也有高盐泡菜。在制作泡菜的过程中，加入食盐的目的，除了调味儿，最重要的就是要抑制杂菌的生长。像高盐泡菜，由于它加入的食盐的浓度比较高，所以它适合长时间的储存。而低盐泡菜如果没有加入防腐剂的情况下，一般是不适合长时间储存的。

所以我们教材就给了这样一个浓度的范围，老师们也不要过度的去关注这个浓度问题，或者是把它转化为需要学生来记的一个知识点。而是在教学的过程中，要让学生认识到传统发酵技术的诞生，它本来就是源于我们生活经验的积累。它一般是家庭式或者是作坊式的生产。

就像我们加入食盐水的浓度，有可能会根据我们制作泡菜时的环境条件。比如说温度如果高的时候，我们可能加入盐的浓度会高一些，以及根据我们自己的口感需求来进行一个调整。所以在制作泡菜的时候，也要引导学生来根据自己的口感需求，根据自己的实验环境的条件来进行一个摸索。

 

 

03

 

 

 

纯化与纯培养有什么区别?

 

在讲进行酵母菌的纯培养的这个探究实践活动的时候，有老师就提出了问题。他们问纯化与纯培养有什么区别呢？在新教材中用的是酵母菌的纯培养的说法。我们来看看两者的定义。纯化指的是从含有多种微生物的样品中获得单一微生物的操作过程，而纯培养它指的是获得由单一个体繁殖的微生物群体，也就是纯培养物的过程。我们从这个定义可以看到，纯化，它强调的是从多种到单一的纯种，所以它的操作要涉及一系列的不断的分离纯化的这么一个过程。例如要不断的调取单菌落来进行平板的接种，然后再进行后续菌种的特征鉴定，直到最终来获得纯培养物。我们在中学阶段，让学生来进行酵母菌的纯培养，一般提供给学生的是酵母菌的纯种，让他们体验通过平板划线操作来获得单据落的过程。而这个单据落一般也就是纯培养物。所以在教材中就用了纯培养的说法。

 

04

 

 

 

在进行酵母菌纯培养的灭菌操作时，培养皿等用牛皮纸包好后再用干热灭菌箱灭菌，可能引发火灾，是不是用湿热灭菌法更合适?

 

同样还是在进行这个酵母菌纯培养的探究实践活动的时候，有老师就问。在进行灭菌操作时，培养皿等用牛皮纸包装后，再用干热灭菌箱灭菌，这样可能会引发火灾。是不是用湿热灭菌法更合适呢？其实，湿热灭菌和干热灭菌这两种方法都是可以的。像干热灭菌，它的原理就是通过高温使微生物菌体内的蛋白质变性，从而来达到灭菌的目的。

而微生物体内蛋白质的变性，它与细胞的含水量有关。细胞的含水量越高蛋白质凝固的也就越快，含水量越低，它凝固的也就越慢。这也就是为什么进行干热灭菌的时候，它灭菌的时间要比湿热灭菌要长，它的温度也比湿热灭菌的要高。但是干热灭菌它有一个优点，那就是后续不需要再进行烘干的这么一个操作。所以老师们在进行实验的时候，可以根据自己实验室的情况来灵活的进行选择。

干热灭菌的时间是1到2个小时，温度是160度到170度。需要注意的是，在这个温度范围内它是安全的，但是一定不能超过180度。超过180度的时候，包装用的纸，还有棉塞等都有可能烧焦，甚至可能引燃。另外还有需要注意的是，带有橡胶的物品和培养基都不能进行干热灭菌。在进行灭菌的时候，箱内的物品也不要放的太过拥挤，以免影响空气的流通，造成灭菌效果不理想。灭菌的物体也一定不要与箱内壁的铁板接触，有可能会把那个包装纸或者是棉塞烤焦。

 

05

 

 

 

实验版选修1教材中菊花组织培养外植体消毒用的是氯化汞溶液，为什么新教材中用的是次氯酸钠溶液?

 

我们再来说说教材中的另外一个探究实践活动——菊花的组织培养。因为有老师问，在新教材中，对这个外植体的消毒为什么改成了次氯酸钠溶液呢？在实验版教材中写的是用氯化汞溶液来对外植体进行消毒。最主要的我们就是出于安全性的考虑。氯化汞它的毒性较大，而次氯酸钠相对比较安全。它是我们家庭所使用消毒剂的主要成分，例如像84消毒溶液，它的主要成分就是次氯酸纳。

我们再看看细胞工程这么专业书籍中，对这两种消毒剂的比较，氯化汞，它的消毒效果是最好的。但是同时它的残留液去除的难易程度也是最大的。而且它对植物组织的损伤也是最大的，它主要是应用于一些种子块茎、块根或者是较硬的组织的消毒。而次氯酸钠它的消毒效果挺好，同时它的残液也比较容易去除，它对植物组织的损伤比较小，一般适合于一些幼嫩的组织的消毒。我们在进行菊花组织培养的时候，我们用到的是幼嫩的菊花茎段。所以综合考虑之后，教材就改用了次氯酸钠来进行外植体的消毒。

次氯酸钠虽然相对比较安全，但是它也是具有腐蚀性的。做实验的时候，老师们一定要让学生来做好防护，比如说佩戴手套、护目镜等等。

 

 

06

 

 

 

为什么有把培养10代以内的细胞看作是原代培养的说法?

 

还有老师问，在讲到动物细胞培养的时候，为什么有把培养十代以内的细胞来看作是原代培养的说法呢？

在我们的教材中，原代培养指的是动物组织经处理后的初次培养。其实在实际的科学研究中，确实有会把培养十代以内的细胞来看作是原代培养的说法。这是因为在这个时期的细胞，它与原来动物体内的组织细胞在形态结构、身体功能上都十分的相似，并且它们通常都保持着正常的二倍体核型。所以在科学研究中会把培养10代以内的细胞看作是原代培养。并且这里的代数一般指的是传代的次数。

 

07

 

 

 

iPS细胞治疗人类疾病时，诱导分化为心肌细胞、肝细胞、神经元等多种细胞有没有体现细胞的全能性?

 

这次教材修订新增了iPS细胞相关的内容。老师就来信问。iPS细胞在治疗人类疾病的时候诱导分化为心肌细胞、肝细胞、神经元等多种细胞的时候，它有没有体现细胞的全能性呢？刚才我们的天翔老师在答疑的时候已经说到了这个细胞全能性的概念。它是指细胞经过分裂分化后，仍然具有产生完整的有机体，或者是分化成其他各种细胞的潜能和特性。也就是说具有全能性的细胞，它是能够具有产生完整有机体或者是分化成各种细胞的潜能。

我们最早的时候iPS细胞科学家是通过研究发现，把它诱导分化成了心肌细胞，肝细胞和整神经元细胞。它并没有分化成各种细胞，所以显然这只体现了它的多能性。我们从科学家对iPS细胞的命名就能够看出来它的全称是诱导多能干细胞。也就是说科学家最初在对iPS细胞进行命名的时候，是把它归为多能干细胞，它具有分化成多种细胞的潜能。

iPS细胞从它发现以后，就在科学界迅速的掀起了研究它的热潮。因为它有望成为再生医学领域、细胞治疗领域重要的细胞来源。在2009年的时候，我们国家的科学家就把这个iPS细胞注射到了小鼠的四倍体囊胚中，然后得到了存活并且具有繁殖能力的小鼠。科学家在通过多种分子生物学实验技术来进行了鉴定，证实了这个活体小鼠确实是由IPS细胞发育而来的。这也是世界上首次获得了完全由iPS细胞制备的活体小鼠。我们来看当年中国科学院的官网上对这项研究的报道。说这项研究有力的证明了iPS细胞具有真正的全能性。也就是说iPS细胞具有全能性，是通过这项研究来得以证实的。在我们教材第二章细胞工程的科技探索之路中，其实也提到了这项我国科学家所取得的伟大的科研成果。

 

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用iPS细胞治疗小鼠的镰状细胞贫血用的是病鼠成纤维细胞诱导的iPS细胞吗?如果是，那iPS细胞的相关基因也是突变后的基因，怎么能治疗因基因突变而导致的镰状细胞贫血呢?

 

教材在介绍iPS细胞的时候，还提到了用iPS细胞治疗了小鼠的镰状细胞贫血。就有老师问。这项研究用到的是病鼠成纤维细胞诱导的iPS细胞吗？如果是，那iPS细胞的相关基因也是突变后的基因，那它怎么能够治疗因为经突变而导致的镰状细胞贫血呢？我们来看一看进行这项研究的科学家，他们所发表的科研论文。在这篇论文中，他详细的展示了他进行这项研究的步骤。

科学家首先是取小鼠尾部的成纤维细胞，然后诱导成纤维细胞转化成了iPS细胞。在第四步的时候，对iPS细胞中的致病基因进行了修正。然后再让这个修正后的iPS细胞发育成了胚状体，进一步诱导胚状体来形成了造血祖细胞。最后就将这个造血祖细胞转入到了患病小鼠的体内，从而来治疗了小鼠的镰状细胞贫血。所以它是对这个iPS细胞中的致病基因来进行了修正的。

 

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动物体细胞核移植技术涉及的两个专业术语

 

接下来我再谈一谈动物体细胞核移植技术。动物体细胞核移植技术这部分内容中，老师们比较关注的两个专业术语。第一个是MⅡ，在我们教材的旁栏中已经明确指出了MⅡ它指的就是减数分裂Ⅱ中期，二中期它的英文全称是Metaphase Ⅱ，这个Metaphase也就是中期的意思。

还有老师问。在MⅡ期的卵母细胞中是没有细胞核的，那为什么还要用到去核的说法呢？其实在我们教材旁栏的相关信息中也做了说明，指出这个核其实就是纺锤体染色体的复合物。教材中说的去核，就是去除这个复合物。细心的老师还会发现，我们在绘制这个MⅡ期卵母细胞的时候，它的核我们化成了这个纺锤体的形状。

 

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卵细胞和卵子有没有区别?

 

接下来我再谈几个胚胎工程这部分内容有关的问题。胚胎工程这部分内容相对精深，老师们可能教学起来会存在一定的难度。所以问题也是稍微多一点。最关注的一个问题就是。卵细胞和卵子到底有没有区别呢？其实卵细胞它就是卵子，只是在不同的学科专业领域习惯上的用法不一样。你看我们在生物学大词典中就已经明确了卵细胞它又称卵子。

在动物生理学、生理学或者是一些生殖学上的一些专业书籍之中，一般都称作卵子。它是指成熟雌性动物的生殖细胞。它与精子结合，形成受精卵，还有一个专业术语叫做卵子发生，指的就是卵原细胞经过初级卵母细胞、次级卵母细胞最终生成卵子的过程。在我们的植物学上，一般就不用卵子的说法，而是用卵细胞。所以这两者其实是没有区别的。

 

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关于受精的两个问题

 

关于受精，也有两个老师们比较关注的问题。第一个问题。防止多精入卵的两道屏障，还讲不讲？我们知道防止这个多精入卵的两道屏障，一个是透明带反应，还有一个就是卵细胞膜反应。这两个专业术语在我们新教材中已经不再出现，并且相关的内容教材也做了很大的精简。所以在讲述这部分内容的时候，老师们一定要降低学生学习的要求，不宜再过多的拓展。

还有一个就是判断受精的标志是什么呢？我们教材提到判断受精的标志是观察到两个极体或者是雌雄原核。就有老师感到困惑了。不应该是雌雄原核相互靠近，核膜消失。看起来两个核好像在融合在一起的时候，这个时候才是受精完成的标志吗？

其实这就是理论与技术的区别。在实际的胚胎工程操作中，比较好观察到的就是两个极体或者是雌原核、雄原核。

 

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关于胚胎早期发育的三个问题

 

关于胚胎早期发育这部分内容，也有三个老师们问的比较多的问题。

第一个问题。卵裂是指从受受精卵开始到什么时期结束呢？卵裂，它指的是多细胞动物早期胚胎从受精卵到囊胚早期的细胞的有丝分裂。第二个问题。孵化是发生在什么时候？是在囊胚期中间的某个时间点，还是在囊胚期结束的时候呢？

其实在胚胎发育的过程中，胚胎发育他发育到某一个阶段。在囊胚期的某一个阶段，这个胚泡它就会与透明带脱离，孵化，准备植入。然后在这个植入的过程中，胚层开始分化。所以这是一个连续进行的过程，我们不好来严格定义某个时间点。

那么如何把握胚胎早期发育这部分内容的教学深度呢？在新教材中，在讲原肠胚这个发育阶段的时候，教材已经变成了楷体字的内容。那么教材中的楷体字就是供学生选学的内容来拓展学生知识用的。所以这部分的教学内容，老师们不宜深挖。

我认为，遵循好教材，用好教材，基本上也就能够达到教学要求。类似的情况还有在介绍基因工程的基本操作程序的时候，在讲农杆菌转化法的时候，新修订的教材中，已经把农杆菌转化法放入了资料卡中。教材中的资料卡，它的功能是帮助学生来理解正文内容，或者是拓展学生的视野用的。所以这部分内容也是供学生来进行阅读了解的内容。所以如果老师们在讲授这部分内容的时候，如果还花过多的时间去详细介绍，我认为这是不太合适的。

 

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在哺乳动物体外受精的操作中，用到了特殊的培养皿吗?

 

还有细心的老师发现。教材这个哺乳动物体外受精过程示意图中，好像用到了一种特殊的培养皿。老师问，培养皿中有一些小孔吗？其实这里并没有用到特殊的培养皿，而是用到了一种技术叫做微滴培养的技术。在进行微滴培养的时候，首先，在进行卵母细胞成熟培养的时候，它首先是用卵母细胞成熟培养液来制备大概体积为50到500微升左右的微滴，再在这个微滴上面覆盖一层石蜡油，然后再把这个卵母细胞把它放到这个微滴中来进行成熟培养。

在进行体外受精的时候也是类似的，只不过是用受精专用的受精溶液来制备这个微滴，上面同样是覆盖了一层石蜡油，然后在这个微滴中，再放入大概10到20枚左右的培养成熟的卵母细胞，以及经过获能的精子，然后把它们放到培养箱中进行孵育6到24个小时左右。采用这种方法，使用的受精溶液和精液都是比较少的，而且取得的实际的体外受精的效果也挺好。所以微滴培养是在体外受精过程中一种比较常见的技术。

 

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外源DNA必须整合到受体细胞的DNA上才能发挥作用吗?

 

最后再谈谈两个在基因工程这一部分老师们比较关注的两个问题。第一个问题，外源DNA必须整合到受体细胞的DNA上才能发挥作用吗？

答案是不一定。我们教材在介绍质粒的时候，就已经提到了质粒能在细胞中自我复制或者是整合到受体DNA上。随着受体DNA同步复制，所以可见载体它的种类不同，整合的情况是不一样的。不同的质粒，它有可能是独立于受体DNA复制的，有可能是整合到受体DNA上的。像有一种质粒叫做整合质粒，它就携带了噬菌体整合酶的基因以及特异性的整合位点的序列。这种载体它所携带的外源DNA是能够整合到受体DNA上来进行表达的。病毒载体也有类似的情况，像逆转录病毒载体，它携带外源基因进入受体细胞后，这个外源基因是能够整合到受体基因组上的。而像腺病毒载体，它携带外源基因进入受体细胞后，它是独立于受体DNA来进行表达的。也就是说它是不会整合的，一般不会整合到受体DNA上的。

 

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利用PCR怎样检测目的基因?

 

最后一个问题，利用PCR怎样来检测目的基因呢？前面我们已经说到了。

就是外源基因进入受体细胞的时候，它可能情况不一样，有可能它是跟着载体独立于受体DNA来进行表达的，有可能它也是会整合到受体DNA上的，我们检测的策略也可能不一样。像这种独立于受体DNA来进行表达的，就可以使用载体上的通用的引物。我们来进行PCR的检测。

利用这种方法来进行检测，它有一个优点，就是只要是用这种载体来构建的表达载体，都可用这个引物来进行检测。检测这个目的基因是否导入了受体细胞，当然我们还可以根据我们所知道的目的基因的序列来设计引物进行PCR的鉴定。尤其是针对前面说到的，如果这个目的基因已经整合到了受体DNA的时候，我们就根据这个目的基因来设计引物来检测它是否导入了受体细胞。

在我们的教师教学用书中，还提到了另外一种方法，那就是我们在设计引物的时候，一条引物它是跟载体DNA互不结合的。另外一条引物，它是跟目的基因的DNA互不结合的。这样只有以这个重组DNA作为模板才能够得到扩增产物，大大提高了实验的可信度。

利用PCR还可以来检测目的基因是否转录出了mRNA，常用到的PCR叫做逆转录PCR。它就是以这个RNA为模板，通过逆转录反应，使它转变成cDNA，然后再进行PCR的扩增。这种PCR的检测方法是非常灵敏的，它可以在总的RNA中检测丰度低于一纳克的mRNA，所以说是非常灵敏的。而且我们在后续进行PCR扩增的时候，还可以加入一些荧光的染料，从而能够对这个mRNA进行定量。